Arquitetura de Computador – Software.

Este capítulo aborda a arquitetura de computadores sob a perspectiva do software, explicando como a camada de software “dá vida” ao hardware. Enquanto o hardware compreende os componentes físicos (CPU, memória, dispositivos de E/S etc.), o software, em especial o sistema operacional (SO), abstrai os detalhes complexos do hardware e gerencia seus recursos, tornando a utilização do computador mais simples e eficiente para o usuário.

1. Infraestrutura de Software

Um sistema de computação é composto por hardware e software. O software existe para que o hardware execute as funções determinadas pelo usuário, fazendo a abstração dos detalhes técnicos. Dessa forma, o sistema operacional é a peça central que:

• Oculta os detalhes de hardware do usuário;
• Fornece uma interface gráfica (GUI) ou por linha de comando (shell), ocultando detalhes como interrupções, organização do disco rígido e demais aspectos técnicos;
• Gerencia os recursos de memória, processamento e armazenamento.

Os principais componentes de um sistema operacional de baixo para cima:

• Hardware (base do sistema);
• Sistema Operacional;
• Utilitários;
• Programas de Aplicação.

A figura abaixo mostra a organização dos componentes, destacando a separação entre o modo núcleo (ou supervisor), onde o SO tem acesso completo ao hardware, e o modo usuário, onde apenas um subconjunto de instruções é permitido. Essa separação garante que operações sensíveis, como acessos a dispositivos de E/S, sejam executadas com segurança.

Organização dos principais componentes de um computador ↑
Fonte: adaptado de Tanenbaum e Bos (2016, p. 15).

Multiplexação de Recursos

Para gerenciar eficientemente os recursos do hardware, o sistema operacional utiliza dois tipos de multiplexação:

• Multiplexação no tempo: Diferentes programas ou usuários se revezam no uso de um recurso. Exemplo: uma única CPU compartilhada entre vários programas, onde cada um tem sua vez de execução.
• Multiplexação no espaço: Cada programa recebe uma parte do recurso, como a divisão da memória entre vários programas para evitar desperdício, ou o compartilhamento do disco entre diversos usuários.

2. Tipos de Sistemas Operacionais

O capítulo apresenta a diversidade de sistemas operacionais, classificados conforme o tipo de hardware e as necessidades dos usuários:

• 2.1. Sistemas operacionais de computadores de grande porte:
  • Usados em mainframes e servidores de alta capacidade, com enormes recursos de E/S.
  • Suportam serviços como:
    • Processamento em lote (batch): Tarefas executadas sem interação direta do usuário;
    • Processamento de transações: Lida com milhares de pequenos pedidos por segundo;
    • Tempo compartilhado (timesharing): Permite que múltiplos usuários acessem o sistema simultaneamente.
• 2.2. Sistemas operacionais de servidores:
  • Projetados para atender múltiplos usuários em rede, fornecendo serviços de impressão, arquivo e web.
  • Exemplos: Solaris, FreeBSD, Linux e Windows Server.
• 2.3. Sistemas operacionais de multiprocessadores:
  • Utilizam múltiplas CPUs para aumentar a potência computacional.
  • Exigem mecanismos especiais para comunicação e consistência de dados.
  • Exemplos: Windows e Linux em sistemas multiprocessados.
• 2.4. Sistemas operacionais de computadores portáteis:
  • Projetados para dispositivos móveis, como tablets e smartphones.
  • Geralmente utilizam sistemas como Android ou iOS e suportam recursos como GPS, câmeras e sensores.
• 2.5. Sistemas operacionais embarcados:
  • Executados em dispositivos que controlam equipamentos não tradicionalmente vistos como computadores (ex.: fornos, TVs, carros, telefones tradicionais, MP3 players).
  • Não permitem a instalação de aplicativos pelo usuário, pois todo o software necessário já vem pré-instalado na memória ROM.
  • Exemplos: Embedded Linux, QNX, VxWorks.
• 2.6. Sistemas operacionais de tempo real (RTOS):
  • Projetados para garantir respostas em intervalos de tempo precisos.
  • Tempo real crítico: Onde atrasos podem causar falhas graves (ex.: controle industrial, montagem de veículos).
  • Tempo real não crítico: Em que pequenas variações temporais são aceitáveis (ex.: multimídia, áudio digital, smartphones).
  • Exemplos: eCos – um sistema operacional embarcado configurável para aplicações com requisitos de tempo real e pouca memória.

3. Processos

Um processo é um programa em execução, atuando como um contêiner que reúne todas as informações necessárias para a sua execução. Isso inclui o código executável, dados, pilha e registradores.

• Criação de Processos: Ocorre por meio de quatro eventos principais:
  • Inicialização do sistema;
  • Execução de uma chamada de sistema de criação de processo por um processo em execução;
  • Solicitação de um usuário para criar um novo processo;
  • Início de uma tarefa em lote.
• Estados de um Processo: Conforme definido por Tanenbaum e Bos (2016), os estados são:
  • Em execução: O processo está efetivamente utilizando a CPU.
  • Pronto: O processo aguarda na fila para ser executado.
  • Bloqueado: O processo não pode ser executado até que ocorra algum evento externo (como a disponibilidade de um recurso).
• Tabela de Processos: É um arranjo de estruturas que armazena informações de cada processo ativo, como conteúdos dos registradores, lista de arquivos abertos, alarmes e outros dados necessários para retomar sua execução.
• Árvore de Processos: Representa a relação hierárquica entre processos, mostrando como processos pais geram processos filhos.
• Escalonador de Processos: Componente responsável por determinar qual processo em estado “pronto” deverá receber tempo de CPU, utilizando algoritmos de escalonamento.

Estados de um processo ↑
Fonte: adaptado de Tanenbaum e Bos (2016, p. 64).

Árvore de processos ↑
Fonte: adaptado de Tanenbaum e Bos (2016, p. 28).

4. Threads

Threads são linhas de controle dentro de um processo. Ao contrário dos processos, que possuem espaços de endereçamento isolados, as threads compartilham o mesmo espaço de memória, o que as torna muito mais leves e rápidas de criar e destruir – podendo ser até cem vezes mais rápidas que a criação de um novo processo.

• Vantagens das Threads:
  • Redução do overhead na criação e destruição de processos;
  • Facilidade na implementação de execução paralela, melhorando o desempenho, como no caso do carregamento simultâneo de múltiplos recursos em um navegador web.
• Modelos:
  • Processos tradicionais: Cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento e uma única thread de controle.
  • Processo multithread: Múltiplas threads compartilham o mesmo espaço de endereçamento, possibilitando uma execução mais concorrente em sistemas com CPU única.

Threads ↑
Fonte: adaptado de Tanenbaum e Bos (2016, p. 71).

Multithreads ↑
Fonte: adaptado de Tanenbaum e Bos (2016, p. 71).

5. Aplicativos e Utilitários

Além do sistema operacional, o software de um computador é composto por:

• Aplicativos: Programas que atendem a necessidades práticas do usuário, como editores de texto, planilhas, navegadores e players de vídeo. Eles interagem diretamente com as abstrações fornecidas pelo sistema operacional.
• Utilitários: Programas que auxiliam na manutenção e otimização do sistema operacional, como compactadores de arquivos (WinRAR, WinZip), antivírus (Avast, Norton), desfragmentadores e ferramentas de sincronização de relógio e backup.
• Observação: Embora importantes, editores, compiladores, montadores, linkers e interpretadores de comandos não são considerados parte do núcleo do sistema operacional.

6. Considerações Finais

O capítulo evidencia que o software é a camada inteligente que opera sobre o hardware, tornando-o utilizável sem que o usuário precise conhecer os detalhes técnicos. O sistema operacional gerencia os recursos do sistema por meio de técnicas como multiplexação no tempo e no espaço, e possibilita a execução de múltiplos processos e threads para simular paralelismo – mesmo em sistemas com uma única CPU. Além disso, a distinção entre aplicativos e utilitários reforça como diferentes níveis de software colaboram para oferecer uma experiência completa e funcional.