Memorias e Dispositivos de Entrada e Saida - Arquitetura de Von Neumann

60 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída UNIDADE 3 MEMÓRIAS E DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA INTRODUÇÃO Seguindo a arquitetura de Von Neumann que define o computador como uma máquina que possui ao menos três elementos básicos que são unidades de processamento unidades de memória e dispositivos de entrada e saída estudaremos nessa unidade os seguintes assuntos 01 O que são memórias como elas participam efetivamente do processamento de informações e como um Sistema Operacional faz o gerenciamento das unidades de memória disponíveis 02 O processo de utilização de memória virtual através da qual é possível ampliar a capacidade da memória primária de um sistema computacional 03 Os dispositivos de interface também conhecidos como dispositivos de entrada e saída É através dessas interfaces que o computador é capaz de se comunicar com os usuários e viceversa Utilizandose desses conceitos pretendese que sejam desenvolvidas as seguintes habilidades 01 Entender a hierarquia de memória e sua utilização no processamento de dados 02 Compreender como o Sistema Operacional gerencia o uso de memória 03 Analisar a importância da memória virtual no processamento de dados 04 Entender os dispositivos de Entrada e Saída como interface com o usuário 05 Comparar os diversos funcionamentos das interfaces e sua relação com o desempenho computacional 61 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Dessa forma a unidade que veremos a seguir traz os conceitos para a compreensão do funcionamento tanto da memória primária como secundária bem como a diferenciação entre elas e o uso da memória secundária como parte da memória primária em um processo conhecido como memória virtual Além disso a unidade também fala sobre os conceitos de gerenciamento dos dispositivos de entrada e saída não como meros periféricos mas sim como interfaces básicas de comunicação do computador com o mundo exterior a ele 1 MEMÓRIAS E SEU GERENCIAMENTO Que as memórias são dispositivos capazes de realizar o armazenamento de informações todos sabemos porém é preciso fazer um estudo mais detalhado do seu funcionamento visando o entendimento da gestão desse armazenamento pelos sistemas operacionais e para iniciar esse entendimento faremos uma definição da composição da própria informação em Ambientes Computacionais A unidade básica de memória bem como a unidade básica de qualquer outro sistema computacional é o dígito binário que chamamos comumente de bit Um bit é a unidade mais básica possível e tem relação direta com o equipamento eletrônico representando a presença 1 ou não 0 de energia em determinado componente TANENBAUM 2013 p 57 Sabendo que a informação é composta de bits podese imaginar que um conjunto de bits é capaz de representar uma determinada informação Assim um número inteiro é composto por um conjunto de bits um caractere é composto por um conjunto de bits e assim por diante Para facilitar o entendimento das grandezas que serão definidas a partir daqui é preciso introduzir o conceito de bytes B que nada mais é que um conjunto de 8 bits Esse conjunto de 8 bits recebeu um nome especial porque a partir de 8 bits é possível representar ao menos em inglês todas as letras dígitos de 0 a 9 e caracteres especiais como vírgula ponto travessão e outros que possibilitam a comunicação Além disso existem alguns prefixos para representar valores maiores que 1024 bits Esses prefixos sãos mostrados na Tabela 1 e representam agrupamentos da unidade básica bit assim como o quilo a tonelada etc representam agrupamentos de uma unidade básica que seria o grama Tabela 01 Prefixos representação binária PREFIXO REPRESENTAÇÃO VALOR ORDEM K quilo 210 1024 1 mil M mega 220 1048576 1 milhão G giga 230 1073741824 1 bilhão T tera 240 1099511627776 1 trilhão Fonte elaborada pelo autor 62 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Na teoria de memórias a esse conjunto de bits que representam uma determinada informação e que podem ser armazenados daremos o nome de palavra ou dado Então uma palavra nada mais é que um conjunto de bits organizado de forma que se possa armazenálo para utilização posterior Cada palavra de memória que um tamanho definido pelo próprio hardware do computador é associado um endereço Assim conforme mostra a Tabela 2 é possível armazenar inúmeras palavras em uma memória cada uma delas com o mesmo tamanho de forma que tanto o tamanho da palavra como o número de palavras que podem ser armazenadas são definidos pela arquitetura do computador Tabela 02 Representação de armazenamento em memória ENDEREÇO PALAVRA em bits 00 10001101 01 01010101 02 10101010 03 00001111 04 11110000 05 11001100 Fonte elaborada pelo autor Dessa forma a arquitetura define o número de bits que comporá cada um dos endereços e o número de bits que comporá cada uma das palavras dados armazenados nessa memória Suponha que o número de bits utilizado na representação de cada endereço seja 16 dezesseis A partir desse número é possível calcular quantos endereços diferentes existirão sendo calculado utilizandose 216 65536 sessenta e cinco mil quinhentos e trinta e seis endereços diferentes Sabendo que a memória do exemplo possui 65536 sessenta e cinco mil quinhentos e trinta e seis endereços diferentes ao se definir o número de bits de cada uma das palavras da memória consegue definir qual a capacidade dessa memória No exemplo suponha que o número de bits de cada palavra armazenada em cada um desses endereços seja de 8 bits teremos que a capacidade da memória é dada pela Equação 1 Figura 01 Equação 1 Capacidade memória em bits 2 NumBitsEndereço Capacidadae NumBitsPalavra Fonte elaborada pelo autor 63 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Ou seja a capacidade da memória do exemplo é 16 2 8 524288 bits ou 512Kbits ou ainda 64KBytes O número de bits utilizado na representação de cada endereço e o número de bits utilizado na representação de cada dados conforme visto pode ser diferente sempre limitados ao número de bits da arquitetura que está sendo utilizada Então em computadores de 32 bits o número de bits de cada endereço e o número de bits de cada palavra está limitado a esses 32 bits Além disso o menor volume de armazenamento de um endereço é uma palavra Assim não teremos o endereço de um bit de memória mas sim sempre o endereço de uma palavra de memória e para se obter um bit específico é necessário ler a palavra toda e por software fazer a separação do bit desejado Agora que já se sabe como os dados estão armazenados na memória podese separar as memórias quanto à sua funcionalidade Existem algumas informações que estão armazenadas na memória e que participam efetivamente do processamento de uma determinada tarefa e por outro lado existem informações armazenadas na memória que servem apenas como armazenamento para uso posterior Sabendose disso teremos a memória classificada em duas a memória primária é aquela em cujos dadas armazenados participam efetivamente do processamento são utilizados pelos processos e a memória secundária TANENBAUM 2013 p 67 é aquela cujos dados estão armazenados para uso posterior Embora essa analogia não seja sempre verdadeira e veremos isso adiante é possível pensar que a memória primária é a memória RAM Random Access Memory e a memória secundária o disco no qual os aplicativos e arquivos estão armazenados Sendo assim para que um aplicativo que está armazenado na memória secundária seja executado é preciso que seja feito o carregamento desse aplicativo e de seus dados na memória primária Somente a partir daí o processador poderá fazer acesso a esses dados e processálos Isso acontece por dois motivos a memória primária é construída a partir de uma tecnologia que permite que o acesso à informação a partir dela seja bem mais rápido que a memória secundária porém por esse mesmo motivo ela é mais cara e seria inviável um computador com toda sua capacidade de armazenamento desenvolvida nessa tecnologia existe uma ligação direta do processador com a memória primária enquanto que a ligação da memória secundária é feita com a memória primária e não com o processador É possível perceber que existe uma hierarquia de memória TANENBAUM 2013 p 67 64 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Figura 02 Hierarquia de memória REGISTRADORES CACHE MEMÓRIA PRINCIPAL DISCO MAGNÉTICO DISCO SÓLIDO FITA DISCO ÓTICO Fonte elaborada pelo autor baseado em Tanenbaum 2013 p 67 Observando a Figura 2 quando mais na base da pirâmide uma determinada memória se encontra maior é sua capacidade de armazenamento e mais barato será o armazenamento porém menor será sua velocidade Já subindo para o topo da pirâmide encontramos memórias com maior velocidade porém mais caras e com menor capacidade de armazenamento A memória mais nobre que existe são os registradores pequenas porções de memória que estão encapsulados juntamente com o processador e são responsáveis diretamente pelo processamento de tarefas É nos registradores que são armazenador operadores e resultados de operações aritméticas e lógicas por exemplo A memória cache é um tipo especial de memória primária utilizada apenas para execução de operações que são as que mais se repetem Com isso ganhase na velocidade do processamento e a memória principal é a própria memória RAM do computador onde todos os dados que serão utilizados pelos processos durante a execução de uma determinada tarefa devem estar armazenados Abaixo da memória principal estão as memórias secundárias basicamente discos sólidos como é o caso dos dispositivos SSD Solid State Drive discos magnéticos como HD Hard Disk discos óticos como é o caso dos CDs DVDs e Blurays e por fim as fitas magnéticas utilizadas basicamente para fazer backups 65 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais 11 GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA Com a multiprogramação surge a necessidade de se mantar vários processos em execução simultaneamente o que se torna um desafio no que tange o gerenciamento de memória e de como essa memória é acessada por cada um dos processos O gerenciamento de memória passa a ser o resultado de duas técnicas distintas Como a memória é vista e como pode ser utilizada pelos processos que estão em execu ção simultaneamente no sistema Como é o tratamento dado aos processos no que se refere ao uso de memória por eles São várias as estratégias utilizadas no gerenciamento de memória visando otimizar o uso desse recurso que tamanha sua importância no processamento afeta diretamente o desempenho de todo sistema Visando essas três estratégias existem modos básicos de organização da memória As estratégias de busca preocupamse com a busca de quais as próximas instruções pre cisam estar disponíveis na memória primária para serem as próximas a serem executadas As estratégias de posicionamento que definem em que local da memória primária cada proces so será alocado e onde tais processos devem buscar os dados necessários para a execução Estratégias de reposição ou substituição que determinam quais blocos serão enviados à memó ria secundária para liberar espaço na memória primária para os demais processos em execução 1 Monoprogramado Nesse tipo de organização não é permitida a execução de múltiplos processos simultâneos assim tratase de um sistema monotarefa A memória conforme mostra o Quadro 1 é dividida em duas partes uma reservada ao sistema operacional e outra destinada ao processo do usuário 66 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída O sistema operacional pode ser alocado na primeira porção de memória ou na última e ao usuário só é permitida a execução de um único processo Dado que o espaço de endereçamento é exatamente àquele correspondente à memória primária o processo em execução pode utilizar toda memória disponível exceto àquela utilizada pelo Sistema Operacional A vantagem desse tipo de organização é sua simplicidade e facilidade de implementação porém como já dito impossibilita a multiprogramação o que o torna inviável para sistemas atuais multitarefa Sistema Operacional Área de usuário Área de usuário Sistema Operacional Quadro 01 Organização de memória em modelo monoprogramado Fonte elaborado pelo autor 2 Multiprogramado com particionamento fixo Como a necessidade de implementação dos sistemas multiprogramados surge a necessidade de se organizar a memória de maneira diferente Uma dessas formas é o sistema de particionamento fixo mostrado no Quadro 2 em que uma das partições continua sendo ocupada pelo Sistema Operacional porém a área restante é dividida em partes fixas que podem ser iguais ou diferentes 67 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Fonte elaborado pelo autor Quadro 02 Organização de memória em modelo multiprogramado com particionamento fixo Sistema Operacional Partição 1 Partição 1 Partição 3 Partição 3 Partição 4 Partição 4 Partição 2 Partição 2 Partição 4 Sistema Operacional O tamanho de cada partição vai depender da quantidade de memória e do tamanho dos processos que serão executados a partir desse sistema Como essa maneira de organização permite que sejam alocados mais de um processo é preciso que seja definida uma estratégia de alocação São três alocações possíveis TANENBAUM 2016 p 128 First Fit alocase o processo na primeira partição livre que comporte o tamanho do pro cesso o que minimiza o trabalho com a pesquisa da partição Best Fit alocase o processo na partição na qual ele melhor se encaixe minimizando o espaço livre Worst Fit alocase o processo na partição em que sobre mais espaço Nesse caso existe um desperdício maior de memória porém essa técnica será importante para tipos de organização com partições variáveis 3 Multiprogramado com particionamento variável Essa forma de organização é bastante parecida com a forma de particionamento fixo exceto pelo fato que as partições agora podem mudar de tamanho com o passar o tempo como mostrado no Quadro 3 o que permite que os processos sejam mais bem alocados evitando desperdício de memória 68 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Quadro 03 Organização de memória em modelo multiprogramado com particionamento variável Sistema Operacional P7 P8 P9 P10 P6 Sistema Operacional P1 P2 P3 P4 Sistema Operacional P3 P3 P4 Fonte elaborado pelo autor Como o espaço que sobra depois da alocação de um processo em uma determinada partição pode ser reaproveitado para a criação de uma nova partição a estratégia de alocação Worst Fit passa a ser interessante pois ela permite que o espaço que sobre depois de uma alocação continue sendo grande o suficiente para a alocação de um outro processo ou mesmo para a composição de outro espaço de alocação Porém mesmo utilizando essa estratégia ainda assim pode haver desfragmentação de memória ou seja podem sobrar espaços entre as alocações que processos que não podem ser aproveitados para alocação de outros processos e para resolver esse problema existe a possibilidade de se recorrer a uma técnica de desfragmentação ou compactação de memória capaz de realocar os processos em partições próximas deixando que os espaços livres fiquem acumulados em uma posição específica da memória permitindo sua melhor utilização e menor desperdício conforme mostra o Quadro 4 Quadro 04 Organização de memória em modelo multiprogramado com particionamento fixo Fonte elaborado pelo autor Sistema Operacional Sistema Operacional P1 P2 P3 P3 P2 P1 69 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Com a desfragmentação as duas partições livres que se encontravam entre os demais processos agora foram agrupadas em uma única região livre que pode ser mais bem aproveitada pelos próximos processos que serão alocados Os processos podem ser alocados na memória primária uma vez que eles precisam ser processados Porém a memória primária nem sempre será suficiente para a execução de todos os processos uma vez que existem processos de tamanho bem grande e que necessitam de uma quantidade de memória muitas vezes maior do que a quantidade de memória primária disponível Para isso existe um mecanismo conhecido como memória virtual Mas antes de falar de memória virtual é preciso entender que os computadores trabalham com uma abstração da memória física ou espaço de endereçamento Um espaço de endereçamento é o conjunto de endereços de memória que um processo pode utilizar TANENBAUM 2016 p 128 Assim é possível trabalhar com o conceito de endereçamento lógico ou seja o Sistema Operacional através de algum procedimento gera um conjunto de endereços que são apresentados a cada processo como endereços de memória válidos e esses endereços ao serem utilizados são convertidos em endereços válidos pelo processo do Sistema Operacional 2 MEMÓRIA VIRTUAL Uma das formas de se aumentar a quantidade de memória primária disponível é através da utilização de memória virtual que consiste em um mecanismo do Sistema Operacional de apresentar aos processos parte da memória secundária como memória primária aumentando assim o espaço de endereçamento Segundo Berenger e Paulo 2011 p 72 Memória virtual é uma técnica sofisticada e poderosa de gerência de me mória em que as memórias principal e secundária são combinadas dando ao usuário a ilusão de existir uma memória muito maior que a capacidade real da memória principal O conceito de memória virtual fundamentase em não vincular o endereçamento feito pelo programa dos endereços físicos da memória principal Dessa forma programas e suas estruturas de dados dei xam de estar limitados ao tamanho da memória física disponível pois podem possuir endereços associados à memória secundária Já segundo Silberschatz e Galvin 2015 p 214 A memória virtual é uma técnica que permite a execução de processos que não estão totalmente na memória Uma grande vantagem desse esquema é que os programas podem ser maiores do que a memória física Além disso a memória virtual abstrai a memória principal em um array de armazenamento uniforme extremamente grande separando a memória lógica conforme vis ta pelo usuário da memória física De modo geral portanto a memória virtual significa a possibilidade de oferecer aos processos em execução uma quantidade de memória maior do que aquela que está efetivamente e fisicamente instalada no computador 70 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Dentre os benefícios da utilização de memória virtual estão A percepção de que a quantidade de memória disponível aos programadores é bem maior do que a memória física A abstração de que a memória funcione como um grande vetor de posições cada uma com um endereço e que pode ser utilizado na sequência ou seja a ideia de que o espaço de endereçamento é maior do que efetivamente é Maior eficiência uma vez que com uma quantidade maior de memória disponível é pos sível executar um número maior de processos otimizando o uso dos recursos computa cionais como um todo Com isso é necessário mudar a ideia de que um computador só usa memória virtual quando ele não possui mais memória física disponível ou que o uso de memória virtual uma vez que a memória secundária é mais lenta que a primária prejudica o desempenho do computador É necessário entender que a memória virtual é utilizada sempre que possível em sistemas computacionais e que isso gera eficiência Figura 03 Composição da memória virtual Memória Virtual Memória Física Arquivos de Troca Fonte elaborada pelo autor Conforme mostrado na Figura 1 a memória virtual é formada pela memória principal somada à parte da memória secundária Chamaremos essa parte da memória secundária utilizada como memória primária de arquivos de troca arquivos de swap ou simplesmente swap 71 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Existem várias técnicas para a implementação de memória virtual As principais são a segmentação e a paginação ou então a combinação entre elas sendo uma segmentação paginada ou uma paginação segmentada 21 SEGMENTAÇÃO Como o próprio nome sugere a técnica de segmentação divide o espaço de endereçamento total memória primária arquivos de troca em segmentos cada um como uma finalidade É comum haver segmentos para armazenamento do SO segmento para armazenamento de código programa e segmento para armazenamento de dados separados Dessa forma a segmentação se apresenta como um espaço bidimensional em que se define o endereço do segmento e depois o endereço da informação que se deseja buscar no segmento conforme mostra a Figura 4 Figura 04 Formação do endereço em segmentação Segment number Offset S D Fonte elaborada pelo autor Fazendo uma analogia o endereço de um segmento funciona mais ou menos como funciona o endereço de um prédio de apartamentos Primeiramente você precisa encontrar o prédio através de um endereço base que no caso da segmentação seria o endereço do segmento depois você encontra dentro desse prédio qual apartamento você quer o número do apartamento seria o Offset do endereço na segmentação Segundo Silberschatz e Galvin 2015 p 186 Ao escrever um programa um programador o vê como um programa prin cipal com um conjunto de métodos procedimentos ou funções Ele também pode incluir várias estruturas de dados objetos arrays pilhas variáveis e assim por diante Cada um desses módulos ou elementos de dados é re ferenciado pelo nome O programador fala sobre a pilha a biblioteca de matemática e o programa principal sem se preocupar com os endereços que esses elementos ocupam na memória A segmentação é um es quema de gerenciamento de memória que dá suporte à visão da memória desse programador Um espaço de endereçamento lógico é um conjunto de segmentos Cada segmento tem um nome e um tamanho Aqui cabe um comentário importante a segmentação não é uma técnica de gerenciamento de memória transparente ao programador Ele precisa conhecer a estrutura para poder endereçar corretamente cada informação que o processo utilizará 72 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Como cada segmento é independente isso favorece que se possa criar segmentos que estejam na memória primária ou segmentos que estejam na memória secundária aumentando assim a capacidade de memória e criando vários espaços de endereçamento independentes Embora a segmentação seja muito útil para aumentar a eficiência do uso da memória e seja um mecanismo interessante de organização da memória uma vez que cada tipo de informação fica fisicamente separada em segmentos criados para esse fim ela apresenta alguns problemas Quando um segmento não se encontra na memória primária deve haver a troca de um segmento que esteja na memória primária com o segmento que se deseja utilizar lembrando que o processador só tem acesso direto à memória primária Então toda vez que um segmento que não esteja na memória primária for requisitado acontece uma operação de troca swap É escolhido um segmento para sair da memória primária geralmente o mais antigo ou aquele que está sendo menos utilizado e o segmento que está na memória secundária é alocado em seu lugar O problema dessa troca na segmentação é ocasionado devido à natureza dos segmentos Suponha que um segmento foi criado para armazenamento de código armazenar os programas Quanto mais processos são executados maior fica esse segmento Fazer a troca de um segmento muito grande pode ocasionar sobrecarga de processamento e lentidão no sistema Uma forma de minimizar esse problema é usar outra técnica de memória virtual chamada paginação 22 PAGINAÇÃO Diferentemente da segmentação que cria um espaço bidimensional gerando vários espaços de endereçamento separados os quais o programador precisa conhecer na paginação o espaço de endereçamento total memória primária mais arquivos de troca é dividido em partes iguais de tamanho fixo geralmente pequenas chamadas páginas Segundo Berenger e Paulo 2011 p 77 A memória virtual por paginação é a técnica de gerência de memória em que o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos de mesmo tamanho chamados páginas As páginas no espaço virtual são denominadas páginas virtuais enquanto as páginas no espaço real são chamadas de páginas reais ou frames Da mesma forma que as páginas são criadas a memória física também é dividida em espaços iguais com o mesmo tamanho das páginas que recebem o nome de frames Então como todo espaço de endereçamento é dividido em páginas algumas dessas páginas estão alocadas nos frames ou seja estão alocadas na memória primária e as demais encontramse fora dos frames ou seja encontramse na memória secundária O endereço de cada informação segue um modelo parecido com o modelo utilizado na segmentação conforme mostrado na Figura 5 73 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Figura 05 Formação do endereço em paginação Page number Offset P D Fonte elaborada pelo autor De forma análoga ao que acontece na segmentação o endereço é composto pelo número da página seguido do deslocamento offset a partir da página Porém por se tratar de um espaço de endereçamento único o programador não precisa conhecer como a paginação ocorre Para o programador o espaço de endereçamento é único e o endereço virtual é tratado como um endereço físico ficando todo processo transparente O Sistema Operacional faz isso utilizando uma tabela de páginas que indica em qual frame cada página está mapeada e se ela se encontra atualmente no frame ou não A Figura 6 mostra esse processo Figura 06 Endereço lógico e físico na paginação ENDEREÇO LÓGICO Número da página Offset é o mesmo Como tem 10 bits indica uma página de 1KB Número do frame ENDEREÇO FÍSICO 0 0 0 0 0 0 0 010 000 000 010 011 101 001 110 111 110 001 011 100 111 101 100 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 Fonte elaborada pelo autor 74 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída O computador gera um endereço lógico composto pelo número de página mais o offset o sistema recupera o número da página e verifica na tabela de páginas a qual frame essa página está mapeada e se ela está ou não presente no frame Se a página estiver presente no frame valor 1 na última coluna da tabela de páginas o sistema recupera o número do frame em que a página está e monta juntamente com o offset o endereço físico Se a página não estiver presente no frame valor 0 na última coluna da tabela de páginas ocorre a falta de página page fault e o sistema realiza a troca swap Como na paginação diferente do que acontece na segmentação as páginas têm tamanho fixo e pequeno a troca de páginas não é um processo muito custoso o que favorece o desempenho do sistema como um todo 23 PAGINAÇÃO E SEGMENTAÇÃO COMBINADAS Comparando a paginação com a segmentação obtemos que quanto ao programador precisar conhecer o processo a paginação é melhor já que oferece um espaço de endereçamento único e transparente enquanto que na segmentação o espaço dos segmentos é bem definido com a necessidade do programador indicar qual segmento ele pretende acessar Por outro lado dependendo do que se deseja essa pode ser uma vantagem da segmentação que oferece múltiplos espaços de endereçamento favorecendo a organização e a separação por exemplo dos dados e dos procedimentos programas Na segmentação como os dados são encapsulados em segmentos bem separados isso facilita a segurança e o compartilhamento dos procedimentos e dos dados entre os diversos usuários do sistema Mas ambas as técnicas permitem que o espaço de endereçamento virtual exceda o espaço de endereçamento físico proporcionando uma quantidade maior de processos em execução e otimizando o uso dos recursos e a produtividade do sistema Com isso vemos que existem vantagens e desvantagens nas duas técnicas e embora a paginação ainda seja a técnica mais utilizada é possível combinálas em técnicas de segmentação paginada ou mesmo de paginação segmentada conseguindose maximizar as vantagens 24 ALGORITMOS DE TROCA DE PÁGINAS Qualquer que seja a técnica de memória virtual implementada vimos que ela se baseia na necessidade de trocas de dados entre a memória primária e secundária Essas trocas são comumente chamadas de swap e necessitam fazer a transferência da página ou segmento que está sendo requisitado e está armazenado na memória secundária para a memória primária Para que essa quantidade de dados seja alocada na memória primária é preciso definir qual página ou segmento deverá ser substituída Essa escolha de qual página ou segmento presente na memória primária será substituída é realizada pelo algoritmo de troca Existem várias técnicas para essa escolha e vamos discutir alguns deles 75 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais 3 DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA E SEU GERENCIAMENTO Quando falamos de dispositivos de entrada e saída ou dispositivos de IO do acrônimo inglês InputOutput muitas vezes nos referimos aos periféricos como uma impressora um mouse um monitor de vídeo ou um teclado por entender que são esses os dispositivos que fazem a interface do usuário com o computador e que são eles os responsáveis por enviar dados externos ao computador entrada de dados ou receber dados do computador e reproduzilos de forma que chegue ao usuário saída de dados Segundo Tanenbaum 2016 p 233 Diferentes pessoas veem o hardware de ES de maneiras diferentes Enge nheiros elétricos o veem em termos de chips cabos motores suprimento de energia e todos os outros componentes físicos que compreendem o hardwa re Programadores olham para a interface apresentada ao software os comandos que o hardware aceita as funções que ele realiza e os erros que podem ser reportados de volta Particularmente nos interessa essa forma de interface dos dispositivos de entrada e saída Então não nos preocuparemos em qual o dispositivo em si se uma impressora ou um mouse O que nos interessa é estudar sua interface e a forma como se comunica com o computador e como o computador se comunica com ela Assim se ambos forem USB Universal Serial Bus por exemplo utilizam a mesma interface e dessa maneira serão tratados da mesma forma Algoritmo de troca aleatória é um algoritmo de baixa sobrecarga de execução uma vez que é bem simples de ser implementado Consiste em sortear aleatoriamente dentre as páginas presentes na memória primária a que será substituída Embora simples é pouco usado porque a página removida pode ser a próxima a ser requisitada causando sobrecarga desnecessária Algoritmo de troca FIFO é um algoritmo também simples de implementar Gera uma fila de páginas por ordem de idade Assim as páginas que estão a mais tempo na memória primária são as primeiras a serem escolhidas para serem substituídas Embora lógico isso nem sempre é verdade uma vez que existem processos longos que podem continuar a utilizar páginas mesmo sendo antigas Algoritmo de troca segunda chance é uma variante do algoritmo FIFO Nele o proce dimento inicial segue o mesmo do FIFO páginas mais velhas são as primeiras a serem substituídas porém nesse algoritmo criase um valor de referência que indica se a pági na foi utilizada recentemente e se esse valor indicar que a página está em uso ela recebe uma segunda chance de permanecer na memória primária Algoritmo LRU Least Recently Used esse algoritmo cria um relógio em cada página indicando quanto tempo faz que a página não é utilizada Com isso escolhese para a substituição aquela página que está há mais tempo sem ser utilizada Porém ele impõe uma sobrecarga grande no processamento e é pouco utilizado Não existem portanto um número muito grande de dispositivos de entrada e saída se pensarmos nas interfaces possíveis No fundo poderemos sempre agrupálos pelo tipo de interface que utilizam Vamos citar alguns tipos de interface e onde são comumente utilizadas USB Universal Serial Bus como o próprio nome diz é uma interface que foi criada para ser universal e servir para comunicação de diversos tipos de dispositivos Isso é quase verdade Nem toda interface foi substituída pela USB porque existem algumas particularidades sobretudo nos discos nas placas internas de um computador e nos dispositivos de vídeo que fazem com que outras interfaces tenham desempenho melhor Mas atualmente é comum encontrar a interface USB presente em impressoras mouses discos internos caixas de som celulares entre outros A Figura 7 mostra uma interface USB USB Standard A Standard B D D D D HDMI HighDefinition Multimedia Interface Interface que se destaca especialmente para comunicação de dispositivos de vídeo Isso se deve ao fato dessa interface conseguir transferir grandes quantidades de dados em um espaço curto de tempo A Figura 7 mostra um exemplo de interface desse tipo SATA Serial Advanced Technology Attachment É bastante conhecido por ser a interface padrão dos discos internos do computador Permite uma transferência de dados também eficiente e é o substituto da interface ATA que funcionava de maneira paralela 77 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Figura 08 Interface HDMI Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileHDMIConnectorTypespng Acesso em 8 mar 2022 Figura 09 Interface SATA SATA Express host plug One or two SATA cables SATA Express cable UM OU DOIS CABOS SATA CABO SATA EXPRESS PLUGUE DE HOST SATA EXPRESS Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileSATAExpressmotherboardconnectionsvg Acesso em 8 mar 2022 Existem outras tantas interfaces que ainda são importantes e coexistem em um sistema computacional como é o caso das placas PCI Peripheral Component Interconnect e tantas outras Qualquer que seja a interface nosso intuito aqui é estudar o funcionamento básico delas ou seja tudo o que falaremos a partir daqui pode ser empregado em qualquer tipo de interface ou pode ser a característica de qualquer tipo de interface O primeiro ponto importante é saber que uma interface pode se comunicar de maneira serial ou paralela Quando a comunicação é paralela isso significa a existência de um barramento cabo com vários fios um para cada bit a ser transferido e mais um conjunto de fios de controle Se a interface paralela transmite 16 bits de cada vez SISTEMA DE CONEXÃO AUTOMOTIVA 78 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída deve haver um fio para cada um dos 16 bits Já na interface serial os dados são transferidos por um único fio e os demais fios são fios de controle Toda informação portanto é transferida pelo mesmo fio em tempos diferentes como se fosse uma fila de bits Embora possa parecer meio óbvio que a comunicação paralela seja mais rápida já que consegue transmitir vários bits simultaneamente isso nem sempre é verdade Isso porque vai depender da velocidade com que os bits são transferidos Pensem em um caminhão que consegue levar 3 carros no seu interior Se a velocidade do caminhão for de 60kmh por exemplo e cada carro puder trafegar um atrás do outro a 100kmh é óbvio que os carros chegarão mais rápido se forem um atrás do outro e não dentro do caminhão O mesmo acontece com as interfaces seriais e paralelas Além disso quanto mais fios em barramentos dentro do computador maior precisa ser o computador para que não haja aquecimento excessivo Assim priorizase atualmente por interfaces seriais em detrimento de interfaces paralelas que ocupam muito espaço podem ser mais lentas e geram muito calor As interfaces de entrada e saída possuem uma controladora um hardware que faz o controle da comunicação dos periféricos com o computador E essas controladoras possuem um software de controle chamado driver Os drivers fazem a interface do Sistema Operacional com a interface que o Sistema terá que interagir Por exemplo para que se possa utilizar a interface USB em um computador é preciso que esse computador possua o hardware a controladora USB instalada e a essa controladora estejam associadas portas interfaces de comunicação onde os periféricos serão acoplados e o driver USB instalado ou seja é preciso que o Sistema Operacional possua o software de comunicação que irá traduzir toda comunicação USB para uma linguagem que o Sistema Operacional conheça A forma como se dá a comunicação dessas controladoras com o computador podem variar existindo duas formas básicas 1 Entrada e saída programada na entrada e saída programada o responsável pela operação de verificação das unidades de entrada e saída é o processamento central Assim de tempos em tempos o sistema operacional desvia o processamento para ve rificar se alguma unidade de entrada e saída possui dados para ser transmitido em um processo conhecido como handshake aperto de mão Esse processo desperdiça tem po de processamento já que muitas vezes a unidade de entrada e saída não deseja transmitir dados Além disso se a unidade de entrada e saída possui informação a ser transmitida o processador deve aguardar até o término do processo para fazer o tratamento do dado recebidoenviado causando mais ociosidade Em resumo uma operação desse tipo pode ser descrita como mostra o Código 1 79 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Figura 10 Código 1 Operação de Entrada e Saída Programada Processo chama IO Controladora envia comando para dispositivo de IO Ocorrem as operações de IO Dispositivo de IO retorna status Transferência de dados Retorno ao processo Fonte elaborado pelo autor Como pode ser observado no Código 1 além da necessidade que o processador tem de fazer a verificação das unidades de entrada e saída quando um processo inicia uma operação de entrada e saída dos passos 2 ao 5 o processo processador central não faz parte da operação que é realizada pela controladora do dispositivo Porém mesmo assim o processador fica ocioso na espera do término da operação 2 Entrada e saída por interrupção na entrada e saída por interrupção o proces sador não necessita esperar o término da operação de leituraescrita no dispositivo diminuindo a ociosidade Nesse tipo de operação o processo sinaliza a necessidade de utilização de um dispositivo de entrada e saída o processador envia um comando ao dispositivo sinalizando a necessidade de operação A partir daí a controladora do dispositivo de entrada e saída realizada a operação de modo independente mantendo o processador livre para realizar outras operações isto é para tratar outros processos que necessitem desse recurso Quando a controladora de entrada e saída termina o processo interrompe o processador que retorna ao processo original para fazer o tratamento dos resultados da operação O Código 2 mostra como se dá esse processo Figura 11 Código 2 Operação de Entrada e Saída Programada Processo chama IO que realiza o processo de forma independente Processador executa outra tarefa Ao finalizar controladora de IO sinaliza uma interrupção ao processador Ao terminar a operação atual processador passa a tratar o processo que originou a interrupção 80 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída Fonte elaborado pelo autor Processador salva o contexto atual Processador trata o chamado da controladora de IO A rotina de tratamento da interrupção é executada Finalizada a rotina o processador recupera o contexto em que estava antes da interrupção Processador retorna ao processamento de tarefas Como pode ser visto no Código 2 o processador não fica ocioso fazendo o tratamento de outras tarefas enquanto a controladora do dispositivo de entrada e saída realiza toda a operação de leitura ou escrita dos dispositivos de entrada e saída de forma independente Ao finalizar a operação a controladora sinaliza ao processador o término da operação através de uma interrupção e o processador então guarda o contexto da atividade que está realizando no momento para fazer o tratamento da interrupção recuperando o contexto e voltando ao tratamento da tarefa ao término Com o uso de interrupção o processo de transferência de dados entre computador e dispositivos de entrada e saída ficou muito mais eficiente liberando o processador para realizar outras tarefas enquanto os dispositivos enviam e recebem dados Porém a memória ainda era controlada exclusivamente pelo processador então embora a controladora do dispositivo de entrada e saída conseguisse ler e escrever dados de forma independente no dispositivo todo dado recebido dependia do processador para ser armazenado na memória A fim de resolver esse problema foi criada a possibilidade dos dispositivos de entrada e saída fazerem acesso direto à memória tornandoas ainda mais independentes na leitura e escrita de dados 3 Entrada e saída com DMA Direct Access Memory Para Tanenbaum 2016 p 238 A CPU pode requisitar dados de um controlador de ES um byte de cada vez mas fazêlo desperdiça o tempo da CPU de maneira que um esquema diferente chamado de acesso direto à memória Direct Memory Access DMA é usado muitas vezes Como explica a definição acima o processo de ler e escrever dados dos dispositivos de entrada e saída diretamente na memória é uma atividade custosa do ponto de vista do uso do processador Assim o que a entrada e saída com DMA faz é tornar as controladoras independentes nesse processo 81 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais Para isso toda vez que uma controladora sinaliza a necessidade de utilização da memória seja ela de leitura ou escrita o processador gera uma definição de quais endereços devem ser lidos ou quais endereços podem ser escritos pela controladora e a partir daí todo processo de leitura e escrita passa a ser realizado pela própria controladora tornando o processador independente para realização de outras tarefas Como exemplo imagine um dispositivo de rede que receberá o resultado de um download e deverá armazenálo na memória O processador gera os endereços de memória que podem receber esse arquivo e sinaliza isso à controladora da placa de rede que a partir daí recebe o arquivo pela rede e armazenao na memória de forma independente do processamento central o que diminui a ociosidade e torna o sistema como um todo muito mais eficiente Como podese observar cada vez mais as controladoras de entrada e saída são verdadeiros computadores de uso específico com processamento e até memória independentes Isso faz com que um computador atual seja na verdade um sistema de computadores trabalhando em conjunto maximizando a produtividade e aumentando a eficiência 82 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída OBJETIVO DE APRENDIZAGEM 83 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais CONCLUSÃO Desde o advento da arquitetura de Von Neumann na década de 30 que se sabe que as memórias são dispositivos primordiais no processo de execução de tarefas em meio computacional e elas continuam fundamentais até os dias de hoje Toda evolução pela qual esses dispositivos passaram tanto de hardware tornando as mais rápidas e menores até de software tornando seu gerenciamento mais eficiente visam diminuir a diferença de velocidade que existe entre a capacidade de processamento de um microprocessador e a velocidade de armazenamento ou leitura dos dados produzidos por esse processamento na memória As memórias continuam sendo um gargalo em se tratando de velocidade já que sua velocidade ainda fica aquém da velocidade do processamento porém muito já se evolui nesse sentido com uso de memória virtual por exemplo que aumenta a produtividade possibilitando que um número maior de processos seja atendido Além disso também desde Von Neumann os dispositivos de interface com o usuário veem se aprimorando disponibilizando os recursos do computador ao usuário de maneira cada vez mais eficiente Os dispositivos de entrada e saída através de suas controladoras e drivers são verdadeiros computadores atualmente tornandose cada vez mais eficientes para o propósito pelos quais foram desenvolvidos o que aumenta cada vez mais a capacidade de processamento das máquinas atuais 84 3 Memórias e dispositivos de Entrada e Saída REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERENGER M F PAULO M L Fundamentos de Sistemas Operacionais Rio de Janeiro Grupo GEN 2011 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521620815 Acesso em 2 fev 2022 SILBERSCHATZ A GALVIN P B GAGNE G Fundamentos de Sistemas Operacionais Rio de Janei ro Grupo GEN 2015 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521630012 Acesso em 2 fev 2022 TANENBAUM A S Organização Estruturada de Computadores 6 ed São Paulo Pearson 2013 TANENBAUM A BOS H Sistemas Operacionais Modernos 4 ed São Paulo Pearson Education do Brasil 2016 85 3 Universidade São Francisco Ambientes Computacionais