Maria Auxiliadora H. L. Capron / J. A. Johnson1 Introdução à Computação Universidade Federal do...

Introdução à ComputaçãoIntrodução à Computação

Universidade Federal do MaranhãoUniversidade Federal do Maranhão

Departamento de InformáticaDepartamento de Informática

Profa. Msc. Maria Auxiliadora FreireProfa. Msc. Maria Auxiliadora Freiremaria@deinf.ufma.brmaria@deinf.ufma.br

SOFTWARESOFTWAREPARTE 1PARTE 1

Universidade Federal do MaranhãoUniversidade Federal do Maranhão

Departamento de InformáticaDepartamento de Informática

• Conjunto de instruções/funções/tarefas que definem o que o computador deve executar para chegar a um determinado resultado.

• Instruções eletrônicas que em geral residem em um meio de armazenamento.

• Um conjunto específico destas instruções é chamado Programa.Programa.

• Quando o computador está usando um programa em particular, dizemos que eles está rodando ou executandoexecutando aquele PROGRAMA.

SOFTWARE

Componentes genéricos - sistema computacional

Diferentes visões- Sistema computacionalDiferentes visões- Sistema computacional

Programas:Programas:

• Partes componentes do softwaresoftware

• Desenvolvidos utilizando Linguagens de Programação.Linguagens de Programação.

• Analistas de Sistemas e ProgramadoresAnalistas de Sistemas e Programadores – Projetam e desenvolvem programas / software

• Engenharia de Engenharia de SoftwareSoftware– Área de estudo que se preocupa com o desenvolvimento

de software

SOFTWARE

• O sistema operacional é softwareO sistema operacional é software: um conjunto de rotinas que são executadas pelo processador para facilitar o acesso aos componentes de hardware (processador, memória, dispositivos de E/S), e gerenciar o uso do sistema de computação (hardware e software).

• Tradicionalmente os S.O. eram escritos em linguagem Assembly. Já faz um certo tempo que a maioria dos S.O. são escritos em linguagens linguagens de alto nívelde alto nível.

Sistemas Operacionais

• Composto por um conjunto de programasprogramas e rotinasrotinas

• Controla a execução de qualquer software utilizado em um computador

• Gerencia os recursos do computador (hardware e software) de modo a:– Possibilitar sua utilização– Aumentar sua eficiência– Permitir a comunicação com outros equipamentos.

Usuário Programas

Sistema de ArquivosHardware

Passo 1

A fonte de alimentação fornece energia elétrica para as diferentes partes do sistema

processador

Funções dos Sistemas Operacionais Inicialização

PassoPasso 22

O processador procura o BIOS

BIOSBasic Input/Output System

Firmware que contém as instruções de inicialização do computador

processador

Passo 3

A BIOS realiza o POST

POSTPower-On Self Test

Teste mediante o qual são verificados componentes tais como mouse, teclado, conectores e placas de expansão

processador

placas deexpansão

conectores

teclado

drive deCD-ROM

Passo 4

Os resultados do POST são comparados com os dados armazenados no chip CMOS

Chip CMOS

Complementary Metal Oxyde Semiconductor

Armazena informações de configuração do computador e também detecta novos dispositivos conectados

processador

placas deexpansão

conectores

drive de CD-ROM

chipCMOS

Passo 5

O BIOS procura os arquivos do sistema no drive A (disco flexível) e, em seguida, no drive C (disco rígido)

Arquivos do sistema

Arquivos específicos do sistema operacional, carregados durante a inicialização

processador

placas deexpansão

conectores

drive de CD-ROM

chipCMOS

discorígido

drive dedisco flexível

Passo 6

O programa de boot carrega na RAM o kernel do SO (armazenado no HD), o qual assume, a partir de então, o controle do computador

processador

placas deexpansão

conectores

drive de CD-ROM

chipCMOS

discorígido

drive dedisco flexível

módulos dememória RAM

Step 7

Passo 7

O SO carrega informações de configuração, exibe a área de trabalho (desktop) na tela e executa programas na pasta Iniciar (StartUp)

Pasta Iniciar (StartUp)

Contêiner de uma lista de programas que são automaticamente iniciados quando o computador é inicializado

RAM(memória física)

O SO aloca uma porção de um meio de armazenamento (usualmente o disco rígido) para atuar como RAM adicional

Disco(memória virtual)

Funções dos Sistemas Operacionais Gestão da Memória Virtual

Passo 1

O SO transfere os dados e as instruções de programas menos usados recentemente para o disco rígido, uma vez que a memória é necessária para outros propósitos

swap out de página

Passo 2

O SO transfere os dados e as instruções de programas do disco rígido para a memória quando necessários

swap out de página

swap in de página

• Salvar arquivos em disco.

• Ler arquivos do disco para a memória.

• Verificar o espaço disponível em disco e memória.

• Alocar memória para armazenar dados e programas.

• Ler toques de teclas do teclado e exibir caracteres ou gráficos na tela.

• Os programas trazem incorporados a si instruções que solicitam ao sistema operacional estes serviços (chamadas ao sistema operacional).

Funções dos Sistemas Operacionais Gestão de Programas

• O uso de um computador potente com múltiplas CPUs.

• Múltiplos programas rodam simultaneamente.– Cada um é executado em seu próprio processador

• Dois ou mais programas executados concorrentemente.– Os programas se alternam na utilização da CPU.– Baseada em eventos.

• Uma interrupção suspende o processamento para permitir a execução de um outro programa.

• Depois que o segundo programa é executado, o sistema operacional retorna a CPU a outro programa.

• Geralmente é usada em programas em lote que não exigem entrada do usuário.

Funções dos Sistemas Operacionais Multiprogramação

• Do ponto de vista do usuário, o que faz ou prejudica um sistema operacional é a qualidade da interface com o usuário

• Às vezes, a interface com o usuário é denominada shellshell, sugerindo a idéia de que a interface com o usuário (o shell) “envolve” o sistema operacional (o kernel dentro do shell).

• Os três tipos de interfaces com o usuário são:• Interface de linha de comandoInterface de linha de comando,• Interface baseada em menus Interface baseada em menus e• Interface gráficaInterface gráfica.

Funções dos Sistemas Operacionais Interface com o Usuário

• Interface de linha de comandoInterface de linha de comando

• A comunicação é feita via digitação de palavras (limitadas) e símbolos no teclado do computador;

• O usuário controla os programas através da digitação de comandos no aviso de comando (prompt), Exemplo: c> ;

• Exige que o usuário digite os comandos utilizando palavras-chave que instruem o sistema operacional sobre o que fazer (Ex.: “format” e “copy”).

• Usuário deve conhecer as regras de sintaxe.

• Pouco utilizados pelos usuários porque exigem memorização e é muito fácil cometer um erro de digitação.

• Preferido pelos usuários experientes.

• Interface Baseada em MenusInterface Baseada em Menus

• Permitem que o usuário evite a memorização das palavras-chave e sintaxe. Os menus baseados em texto na tela mostram todas as opções disponíveis em um determinado ponto.

• Alguns sistemas permitem que o usuário clique a opção desejada com o mouse.

• Interface gráfica Interface gráfica

• Também conhecida por GUI GUI (Graphical User Interface);

• Possibilita o trabalho em termos visuais;

• Desenvolvimento do conceito de Menus, ícones e caixas de diálogos

• Facilidade de utilização medida pela intuitividade da interface

• Tipo de interface chamada amigável

• Utiliza o conceito de desktop - desktop - área de trabalho digital: Mesa de trabalho digital

• Calculadora, bloco de notas, pastas, lixeira, etc...

Driver de Dispositivo - Programa que possibilita a comunicação do SO com um dispositivo de E/S

Cada dispositivo requer um driver próprio

driver de dispositivo

Funções dos Sistemas OperacionaisComunicação SO - dispositivo de E/S

Plug’n Play (PNP ou Plug and Play)

Reconhecimento de novos dispositivos pelo computador, instalação automática de drivers para esses dispositivos e verificação de conflitos com outros dispositivos.

Suportado pela maioria dos dispositivos e SO atuais. Quando se liga um sistema Plug/Play, o principal

árbitro entre o software e o hardware, o BIOS é o primeiro componente a assumir o controle.

Funções dos Sistemas Operacionais Gerenciamento de Arquivo

• Os sistemas operacionais agrupam os dados em compartimentos lógicos para armazená-los em disco

Como os Dados São OrganizadosSetor ou Segmento

Trilhas

Cluster

• Trilha– A porção circular da superfície

do disco que passa sob a cabeça de leitura/gravação.

• Um disco flexível tem 80 trilhas em cada superfície.

• O disco rígido pode ter 1.000 ou mais trilhas em cada superfície de cada lâmina.

Como os Dados São Organizados

• Setor– Cada trilha é dividida em setores que

contêm um número fixo de bytes.• Tipicamente, 512 bytes por setor.

– A gravação por zonas atribui mais setores às trilhas que estão nas zonas externas do que àquelas que estão nas zonas internas.

– Usa o espaço de armazenamento de maneira mais completa.

• Cilindro – A trilha sobre cada superfície, que

está sob a cabeça de leitura/gravação, em determinada posição das cabeças de leitura/gravação.

– Quando o arquivo é maior do que a capacidade de uma única trilha, o sistema operacional armazena-o em trilhas que fazem parte do mesmo cilindro.

Formatação Física - os discos são divididos em trilhas, setores e cilindro e são gravadas as marcações servo, que permitem que a placa lógica posicione corretamente as cabeças de leitura.

Formatação Lógica - organizado à maneira do sistema operacional, preparado para receber dados. A esta organização damos o nome de “sistema de arquivos”.

Formatação - Processo de preparação de um disco para leitura e escrita (gravação).

FAT – “File Alocation Table” ou “tabela de alocação de arquivos”. localizado no setor “0” do disco.A função da FAT é servir como um índice, armazenando informações sobre cada cluster do disco Comparando o FAT com um livro.

as páginas clusters; a FAT as legendas e numeração das páginas;

o diretório raiz índice, com o nome de cada capítulo e a página onde ele começa.

Organização de arquivos

0 1 2 3 4 5 6 7

readme.txt

prova.doc

0 1 2 3 4 5 6 7

aula.pdf

0 1 2 3 4

Dispositivofísico

Vetor deblocoslógicos

Arquivos

Organização de arquivos

arquivos windows docs temp

java Winzip help system32 aulas pedro

Gravando o arquivo ”carta”

Arquivo cluster

Despesas.xls 1

Relatorio anual.doc

Disponível 3Novo orcamento.xls

ENDEREÇO DO CLUSTERCLUSTER TRILHA SETORE

3 1 2,3,4,5

• Técnicas de alocação

– Formas de mapear os blocos dos arquivos em posições no vetor de blocos lógicos

– Alocação contígua de arquivos

– Alocação em listas encadeadas• listas diretas ou listas indexadas

– Alocação indexada

readme.txt 010 003prova.doc 002 008Aula.pdf 017 005

arquivo inicio #blocos

0 1 2 3 4 5 6 7

Alocação contígua Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos lógicos consecutivos. Não há blocos vazios entre os blocos de um mesmo arquivo. Para cada arquivo, o diretório informa seu bloco de início e o no de blocos.

• Alocação contígua– Vantagens:

• Simplicidade de implementação.• Rapidez de acesso aos arquivos:

– todos os blocos do arquivo estão próximos.• Facilidade de acesso seqüencial e aleatório:

– sequencial: basta ler os blocos consecutivos– aleatório: posições internas podem ser facilmente calculadas a partir da

posição do bloco inicial.

– Desvantagens:• Pouca flexibilidade no crescimento dos arquivos.• Tamanho máximo do arquivo deve ser conhecido no momento da alocação.• Ocorrência de fragmentação externa.• Necessidade de desfragmentação periódica

• Alocação encadeada

– Os arquivos são armazenados como listas de blocos

– cada bloco aponta para o próximo– diretório aponta para o bloco inicial– os blocos podem estar espalhados

– Base de funcionamento da FAT• sistema de arquivos Windows

readme.txt 010 003prova.doc 002 008Aula.pdf 017 005

Alocação encadeada

• Alocação encadeada

– Vantagens– não há fragmentação externa– todo o disco pode ser usado– tamanho dos arquivos pode ser mudado facilmente

– Desvantagens– acesso aleatório é mais demorado– maior fragilidade em caso de problemas

• Alocação indexada

– Baseada em tabelas de blocos• um bloco especial guarda a tabela de blocos do

arquivo: index-node (i-node)• diretório aponta para os i-nodes• blocos podem estar espalhados

– Base de funcionamento do UNIX

Alocação indexadareadme.txt 010 003prova.doc 002 008Aula.pdf 017 005

I-node

• Alocação indexada

– Vantagens– não há fragmentação externa– todo o disco pode ser usado– acesso rápido– robustez em caso de problemas

– Desvantagens– gerência mais complexa– espaço em disco perdido com os i-nodes

• Fragmentação interna

– Arquivos são alocados em blocos:– Os blocos têm tamanho fixo.– Entre 512 bytes e 8 Kbytes.– Um bloco não pode ser alocado parcialmente.

– Se usarmos blocos de 4096 bytes:– um arquivo de 5700 bytes ocupará 2 blocos.– 2492 bytes serão perdidos no último bloco.

– Em média, perde-se 1/2 bloco por arquivo.

• Fragmentação externa

– Espaços vazios entre blocos de arquivos.

– À medida que o sistema evolui:• arquivos são criados e removidos• mais espaços vazios aparecem.• os espaços vazios ficam menores.

– Alocar novos arquivos torna-se difícil !

Evolução da fragmentação

aloca aloca

Agora, como alocar um arquivo com 4 blocos ?

remove remove

remove

• Desfragmentação

– Mover arquivos para reagrupar os fragmentos em espaços maiores

– Visa permitir alocar arquivos maiores– Deve ser feita periodicamente– Uso de algoritmos para minimizar

movimentação de arquivos (rapidez)

Estratégias de desfragmentação

Situação inicial

Moveu 6 blocos

Moveu 4 blocos

Moveu 2 blocos

• Estratégias de alocação

– First-fit: usar o primeiro espaço livre– maior rapidez de alocação– pouca preocupação com fragmentos

– Best-fit: usar o menor espaço livre– usar o melhor possível os espaços em disco– fragmentos residuais são pequenos

– Worst-fit: usar o maior espaço livre– fragmentos residuais são maiores (mais úteis)

Alocando um arquivo c/ 2 blocos

Worst-fit

Best-fit

First-fit

Situação inicial

• Tamanho dos blocos– A escolha do tamanho dos blocos é importante

para a eficiência do sistema.

– Blocos pequenos:– menor perda por fragmentação interna– mais blocos por arquivo: maior custo de gerência

– Blocos grandes:– maior perda por fragmentação interna– menos blocos por arquivo: menor custo de gerência

PrimórdiosPrimórdios

– Sistema operacional inexistente– Usuário é o programador e o operador da

máquina– Evolução foi motivada por:

• Melhor utilização de recursos• Avanços tecnológicos (novos tipos de

hardware)• Adição de novos serviços

Sistemas Operacionais - ClassificaçãoSistemas Operacionais - Classificação

Sistemas Mono-usuárioSistemas Mono-usuário– Projetados para serem usados por um único usuário de Projetados para serem usados por um único usuário de

cada vez, multi-tarefa (quando existente) limitada.cada vez, multi-tarefa (quando existente) limitada.– Exemplo: MS- DOS, Windows 3.x, Windows 9x, MilleniumExemplo: MS- DOS, Windows 3.x, Windows 9x, Millenium

Sistemas Multi-usuárioSistemas Multi-usuário– Suportam várias sessões de usuário em um computador.Suportam várias sessões de usuário em um computador.– Exemplo: UNIX, Windows-NT, Windows 2000, “Windows Exemplo: UNIX, Windows-NT, Windows 2000, “Windows

XP”, Vista, Win 7XP”, Vista, Win 7– Programas e arquivos de dados em um único computador Programas e arquivos de dados em um único computador

((hosthost), contas de usuário, gerencia o uso comum de ), contas de usuário, gerencia o uso comum de periféricos compartilhados.periféricos compartilhados.

Sistemas Mono-tarefa (Mono-programáveis)– Podem executar apenas uma tarefa de cada vez.– Exemplo: MS-DOS

Sistemas Multi-tarefa (Multi-programáveis)– Permitem executar várias tarefas “simultaneamente”

• Modo cooperativo. Exemplo: Windows 9x (aplicativos de 16 bits)

• Modo preemptivo. Exemplo: Windows NT, UNIX, OS/2, Windows 9x (aplicativos de 32 bits)

Cooperação e Preempção

• Multi-tarefa Cooperativa - cada aplicativo ocupa seu próprio endereço de memória e recursos do sistema. Cabe a cada processo liberar voluntariamente a utilização do processador para que outro processo possa ser executado

• Multi-tarefa Preemptiva – o SO gerencia o escalonamento dos processos, podendo interromper um processo em favor de outro, de maior prioridade

Sistemas em Lote (Batch)

- Primeiros sistemas multi-programáveis- Caracterizados por terem seus jobs armazenados em disco

ou fita, até o momento de serem executados de forma seqüencial.

- Os jobs não possuem interação com o usuário (Ex.: primórdios – compiladores, linkedições, backups).

- Início: passagem entre jobs - manual- Evolução: Sequenciamento automático de jobs, transferindo

o controle de um job a outro.

Sistemas em Lote (Batch) - Histórico

• Introdução da multi-programação

– Acesso direto aos jobs - escala de jobs em uma determinada ordem, de modo a aproveitar os tempos de cpu ociosa.

– A idéia é manter vários programas em memória ao mesmo tempo. Enquanto um programa aguarda E/S, outro pode ser executado

Sistemas Multi-programáveis de Tempo Compartilhado (Time sharing)

• Fornecem serviços a diversos usuários concorrentemente

• Usuários possuem um terminal– Interação com o programa em execução

• Usuário - Ilusão de possuir a máquina dedicada à execução de seu programa– Divisão do tempo de processamento entre usuários– Tempo de resposta é importante

Sistemas Multi-programáveis de Tempo Real• Quanto à construção, são bem semelhantes aos

sistemas de tempo compartilhado. Porém, os objetivos e exigências são diferentes.

• Em geram, atendem (monitoram) processos externos que requerem tempos de resposta dentro de limites rígidos. Ex.: experimentos científicos, tratamento de imagens médicas, controle de processos, etc

• O processo realimenta o computador.• Em geral não existe o conceito de fatia de tempo

alocada a um processo.• Noção de tempo real é dependente da aplicação

(segundos, minuto, horas, etc).

Sistemas com Múltiplos Processadores• Caracterizam-se por possuir 2 ou mais CPUs interligadas,

trabalhando conjuntamente.• No desenvolvimento desses sistemas, o mais importante

é a forma de comunicação entre os processadores e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de E/S, o que leva a seguinte classificação:– sistemas fortemente acoplados (assimétricos e

simétricos)– sistemas fracamente acoplados (SO de rede e SO

distribuído).

Tipos de Sistemas Operacionais

• Plataforma: combinação de hardware de computador e software de sistema operacional.– Wintel (Microsoft Windows que roda em um PC baseado em

Intel) é a mais comum.

• Plataformas Comuns:– MS-DOS– Windows– MAC OS– Unix– Linux

• Executam tarefas secundárias.• Exemplos:

– Gerenciador de arquivos (Windows Explorer)

– Compactação de arquivos (Winzip)– Recursos de Impressão – Outros

Programas Utilitários

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