aula 3: conceitos básicos e medidas de desempenhodiego/disciplinas/2015_1/fac/arquivos/aula3… ·...

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Aula 3: Conceitos Básicos e Medidas de Desempenho

Diego Passos

Universidade Federal Fluminense

Fundamentos de Arquiteturas de Computadores

Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 1 / 38

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Conceitos Básicos


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Sistema de Computação

Conjunto de componentes integrados com o objetivo de manipular dados e gerarinformações úteis.Exemplos de componentes:

▶ Processador.▶ Memória.▶ Dispositivos de E/S.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Unidade Mínima de Informação: BitNo nível mais básico, computadores representam informações através de bits.

▶ Binary Digit.

Dois possíveis valores: 0 ou 1.Computadores mais antigos trabalhavam com algarismos decimais.

▶ Dez possíveis valores.▶ Com o uso da eletrônica digital, bits se tornaram mais práticos.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Componentes Básicos de um Sistema de Computação


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Algoritmo

Especificação das operações necessárias para um dado objetivo.Exemplo: atualização de saldo em conta bancária.

Enquanto houver DOCs, faça:Leia próximo DOC.Leia número da conta a partir do DOC.Encontre conta cujo número corresponde ao do DOC.Se tipo do DOC é depósito:

Então NovoSaldo = Saldo + valor.Se tipo do DOC é retirada:

Então NovoSaldo = Saldo - valor.Escrever NovoSaldo no lugar de Saldo.

Fim Enquanto


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Instruções Básicas

Algoritmo é executado pelo hardware.Mas hardware não entende operações complexas como “Leia o número da conta a partir doDOC”.É preciso traduzir estas operações para instruções básicas.

▶ Aquelas entendidas pelo hardware.Exemplos de instruções básicas comuns:

▶ Some dois números.▶ Mova uma informação de um lugar da memória para outro.▶ Leia um caractere correspondente a uma tecla pressionada.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Linguagem de Alto Nível vs. Linguagem de Baixo Nível

Quando descrevemos um algoritmo em termos das instruções básicas de um processador,estamos utilizando a Linguagem de Máquina.Problema: a linguagem de máquina é pouco legível.

▶ Difícil para um humano compreender rapidamente.Solução: criar uma linguagem mais legível e um programa que faça a tradução.

▶ Um compilador ou interpretador.Resultado: hierarquia de linguagens.

▶ Linguagens de baixo nível: próximas do que é entendido pelo hardware▶ Linguagens de alto nível: mais abstratas e legíveis.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Componentes: Processador

UCP: Unidade Central de Processamento.▶ Ou CPU, do inglês Central Processing Unit.

Capaz de entender e executar uma operação definida por uma operação de máquina.Formados por bilhões de componentes eletrônicos encapsulados em um invólucro (chip).


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Componentes: Memória

Dispositivo de armazenamento deinformações.

▶ Dados, instruções.Processador acessa informações namemória.

▶ Próxima instrução a ser executada.▶ Operandos da instrução a ser executada.

Organizada em vários níveis.▶ Registradores.▶ Cache.▶ Memória principal.▶ Memória secundária.

Registradores

Memória Cache

Memória Principal

Memória Secundária


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Componentes: Memória Principal

Dispositivo de memória acessado frequentemente pelo processador.Programas e dados precisam ser carregados nesta memória, antes de utilizados peloprocessador.Nos computadores modernos mais comuns, esta memória é do tipo RAM.

▶ Random Access Memory.▶ Significa que processador pode acessar qualquer posição da memória a qualquer momento.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Memória Secundária

Memória não-volátil.▶ Dados não são perdidos se computador é desligado.

Geralmente, em grande quantidade (relativamente à memória principal).Processador não pode acessar diretamente.Tempos de acesso são muito maiores.Exemplo: disco rígido, pendrive, cartão de memória.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Dispositivos de Entrada

Necessários para a introdução de dados e programas pelo usuário.Exemplos de dispositivos:

▶ Mouse, teclado, touchscreen, microfone.▶ Mas também pendrive, cartão de memória, . . .


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Dispositivos de Saída

Necessários para apresentação dos resultados da computação.Exemplos de dispositivos:

▶ Monitor, impressora.▶ Em certos casos, leds.▶ Dispositivos de armazenamento em massa também podem ser considerados.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Interconectando os Componentes: Barramentos

Componentes precisam se interconectar de alguma forma.▶ e.g., processador precisa acessar memória principal.▶ e.g., dados lidos de dispositivo de E/S precisam ser armazenados em memória.

Interconexão é feita através de barramentos.▶ Meio compartilhado de comunicação.▶ Conjunto de fios: cada um representa um bit.

...Componente 1 Componente 2 Componente 3 Componente n


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Subdivisões de um Barramento

Na prática, fios de um barramento são divididos em grupos:▶ Barramento de dados (BD).▶ Barramento de endereço (BE).▶ Barramento de controle (BC).

...Componente 1 Componente 2 Componente 3 Componente n

Endereço

Dados

Controle


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Exemplo de Comunicação via Barramento

Suponha que o processador deseja escrever o valor 75 no endereço 37 da memória principal.

▶ BC: indica comunicação entre UCP e memória e operação de escrita.▶ BD: contém o valor do dado (no caso, 75).▶ BE: contém o endereço a ser escrito (no caso, 37).

UCP

Memória

Endereço

Dados

Controle

75 3737

0...

...75


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Barramento de Controle: Detalhes

Fios (bits) independentes.Cada fio (bit) tem um significado diferente.

▶ Requisitar leitura.▶ Requisitar escrita.▶ . . .

ProcessadorMemóriaPrincipal

INT

ACK

L

E

Barramentode

Controle

Legenda:

INT - Interrogação

ACK - Ok

L - Sinal de Leitura

E - Sinal de escrita

...


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Barramento de Endereços: Detalhes

L fios (bits) relacionados.Cada fio (bit) é visto como um algarismobinário.Conjunto ordenado de bits indica umnúmero.

▶ O endereço.L é a largura do barramento.

▶ Quanto maior a largura, mais endereçospodem ser representados.

▶ Para uma largura L, 2L endereços.


Bit 0

Barramentode

Endereço

...

Bit 1

Bit 2

Bit L


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Barramento de Dados: Detalhes

Similar ao barramento de endereços.▶ Fios (bits) são relacionados.▶ Algarismos binários de um número.

⋆ Dado a ser armazenado/lido.

Também possui uma largura L′.▶ Possivelmente diferente de L.▶ É possível transferir 2L′ valores diferentes.


Bit 0

Barramentode

Dados

...

Bit 1

Bit 2

Bit L'


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Barramentos: Taxa de Transferência

Um barramento opera a uma determinada frequência.▶ Uma transferência no barramento demora algum tempo.▶ Quantas vezes podemos utilizá-lo em um determinado intervalo?▶ Valor dado (normalmente) em Hz (1/s).

A frequência de operação e a largura do barramento de dados determinam a taxa detransferência.

▶ Quanta informação podemos transmitir em um determinado intervalo?Exemplo:

▶ Largura (de dados): 32 bits.▶ Frequência: 100 MHz.▶ Taxa de transferência: L × F = 32 × 100 = 3200 Mb/s.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Barramentos nos Computadores Modernos

Processador poderia estar conectado a todos os dispositivos por um único barramento.Mas isso é ineficiente.

▶ Dispositivos têm tempos de acesso muito diferentes.▶ Memória principal é rápida.▶ Dispositivos de E/S são lentos.

⋆ E alguns, mais lentos que outros.

Solução: múltiplos barramentos ligados por pontes.▶ Barramento do sistema (processador, memória principal e memória cache).▶ Barramento de E/S de alta velocidade (HDs, placa de rede, placa de vídeo, . . . ).▶ Barramento de E/S de baixa velocidade (teclado, mouse, impressora, scanner, . . . ).


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Pontes: Northbridge e Southbridge

Pontes conectam barramentos.Northbridge:

▶ UCP.▶ Barramentos de placas gráficas.▶ Barramento de memória.

Southbridge:▶ Barramento PCI.▶ Dispositivos de E/S lentos.

Northbridge e Southbridge formam o chipset.▶ Dentro do chipset, há um barramento interno.

Front-side bus: conecta UCP ao Northbridge.

UCP

Flash ROM(BIOS)

Super I/OPorta Serial

Porta ParalelaTecladoMouse

Northbridge

(hub controladorda memória)

Southbridge(hub controlador

de E/S)IDE

SATAUSB

EthernetAudio Codec

CMOS Memory

PlacaGráfica

On-Board

Gerador de ClockPlaca

Gráfica

BarramentoGráfico de

Alta Velocidade(AGP ou PCI

Express)

Chipset

Front-sidebus

Barramentode Memória

Bancos de Memória

BarramentoPCI

Slots PCI

LPCBus

BarramentoInterno

BarramentoPCI

Cabeamentose Conectores


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Unidades de Informação: Byte

Unidade básica é o bit.▶ Toda informação precisa ser codificada em um ou mais bits.

Outra unidade comum é o byte.▶ Grupo ordenado de 8 bits.▶ Definido pela IBM como unidade básica de armazenamento e transferência de dados.▶ Comumente precedido de um multiplicador, ou prefixo:

Decimal BinárioValor Prefixo Valor Prefixo1000 k (kilo) 1024 Ki (kibi)10002 M (mega) 10242 Mi (mebi)10003 G (giga) 10243 Gi (gibi)10004 T (tera) 10244 Ti (tebi)10005 P (peta) 10245 Pi (pebi)10006 E (exa) 10246 Ei (exbi)10007 Z (zetta) 10247 Zi (zebi)10008 Y (yota) 10248 Yi (yobi)


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Unidades de Informação: Octeto vs. Byte

Hoje, o byte é universalmente entendido como um conjunto de 8 bits.Mas isso nem sempre foi verdade.

▶ Alguns computadores já consideraram bytes de 7 bits, por exemplo.

Para evitar ambiguidades, algumas vezes se utiliza o termo octeto para designar umconjunto ordenado de 8 bits.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Unidades de Informação: Palavra

Unidade de informação natural para um dado processador.Tamanhos de palavra típicos (atualmente): 32 bits, 64 bits.Conceito muito importante em arquiteturas de computadores.Normalmente, define o número de bits usado em diversos aspectos de um processador.

▶ Tamanho da maior parte dos registradores.▶ Número de bits sobre os quais operações são realizadas.▶ Número de bits transferidos entre UCP e memória.▶ Tamanho de uma instrução.▶ . . .

Note que processadores reais nem sempre usam o tamanho da palavra para todos estesaspectos.

▶ O tamanho dos registradores é o mais comum.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Unidades de Informação: Nibble

Também chamado de semi-octeto ou quarteto, em alguns contextos.Conjunto ordenado de 4 bits.

▶ Metade de um octeto.

Termo pouco usado atualmente.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Outras Unidades de Informação: Arquivo e Registro

Arquivo: conjunto de dados de um mesmo tipo para uma dada aplicação.Exemplos:

▶ Arquivo listando alunos da turma.▶ Arquivo contendo um vídeo.

Arquivos normalmente são compostos por registros.▶ Um aluno específico no arquivo de alunos.▶ Um quadro específico no vídeo.

Arquivos são tipicamente armazenados em memória secundária.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Medidas de Desempenho


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Desempenho de um Computador

Aspecto importante para projetistas e usuários.Escolher hardware adequado a determinado sistema.Mas não é trivial.

▶ Computadores modernos são complexos e certos aspectos de difícil predição.Outro problema: como definimos desempenho?

▶ Vazão.▶ Tempo de resposta.▶ Eficiência energética.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Medidas Comuns de Desempenho: Tempo de Resposta

Suponha que um usuário leigo deseje comprar um computador para sua casa.Há dois modelos disponíveis, A e B.Ele quer comprar o computador “mais rápido”.Como ele fará a comparação?Para este tipo de ambiente, normalmente consideramos “mais rápido” o computador capazde terminar mais rapidamente uma determinada tarefa.

Tempo de RespostaIntervalo entre o início e o fim da execução de uma determinada tarefa.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Medidas Comuns de Desempenho: Vazão

Suponha agora um administrador de um data center.Ele precisa escolher um novo servidor para atender a requisições a uma página web.O que é importante neste caso?Para um data center, mais importante que o tempo de resposta para uma requisiçãoindividual, é atender ao maior número possível de requisições por unidade de tempo.

▶ Exemplo: requisições atendidas por segundo.

VazãoQuantidade de trabalho realizada por unidade de tempo.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Vazão vs. Tempo de Resposta

Tempo de resposta e vazão parecem equivalentes.▶ Ou consequências um do outro.

Por exemplo:▶ No processador A, tarefa demora 10 s.▶ No processador B, 5 s.▶ Tempo de resposta em A: 10 s.▶ Tempo de resposta em B: 5 s.▶ Vazão em A: 1 tarefa em 10 segundos = 0,1 tarefas por segundo.▶ Vazão em B: 1 tarefas em 5 segundos = 0,2 tarefas por segundo.▶ Conclusão: B é melhor em tempo de resposta e em vazão.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Vazão vs. Tempo de Resposta (Mais)

De fato, normalmente, reduzir o tempo de resposta equivale a aumentar a vazão.▶ E vice-versa.

Mas isso nem sempre é verdade.Exemplo:

▶ Dois processadores A e B.▶ Ambos executam executam a tarefa em 5 segundos.▶ Mas processador A é capaz de executar duas tarefas simultaneamente.▶ Se há apenas uma tarefa, tempo de resposta é igual.▶ Mas processador A resulta em melhor vazão.

⋆ Permite a execução de duas tarefas simultaneamente.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Medidas Comuns de Desempenho: Eficiência Energética

Em alguns sistemas, o consumo energético é tão ou mais importante que vazão ou tempode resposta.

▶ Dispositivos alimentados por bateria.▶ Grandes data centers com alto consumo energético.

Neste caso, queremos ter boa vazão ou tempo de resposta.Mas relativamente ao consumo energético.

▶ Quanto trabalho é feito por unidade de energia consumida?


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Fatores que Influenciam o Desempenho

Um computador possui diversos componentes.▶ Processador.▶ Memória.▶ Dispositivos de E/S.▶ Barramentos.▶ . . .

O desempenho do computador como um todo depende da interação entre estescomponentes.

▶ E dos seus desempenhos individuais.Exemplo:

▶ Um disco rígido lento resultará em pouca eficiência na leitura de arquivos mesmo comprocessadores rápidos.


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Medidas Comuns de Desempenho de Componentes

Processadores:▶ Velocidade de execução de instruções: número de instruções por segundo (FLOPS, MFLOPS,

EFLOPS, . . . ).▶ Grau de paralelismo: número de núcleos.

Memória:▶ Tempo de acesso (s).

Barramentos:▶ Frequência (Hz).▶ Largura (bits).▶ Taxa de transferência (b/s)

Dispositivos de E/S:▶ Latência (s).▶ Vazão (b/s).


.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Ordens de Grandeza

Nos computadores modernos, as ordens de grandeza são geralmente extremas.▶ Tempos muito curtos.▶ Volumes de dados muito grandes.▶ Número de instruções muito grande.▶ Dimensões dos componentes muito pequenas.

Por este motivo, unidades de medidas são muitas vezes diferentes das usadas no dia a dia.

ComprimentoUnidade Descrição

Micrômetro (µm) 10−3 mmNanômetro (nm) 10−6 mm

Angström (A) 10 nm

TempoUnidade Descrição

Milissegundo (ms) 10−3 sMicrossegundo (µs) 10−6 sNanosegundo (ns) 10−9 sPicosegundo (ps) 10−12 s


aula 3: conceitos básicos e medidas de desempenhodiego/disciplinas/2015_1/fac/arquivos/aula3… ·...

Documents