. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
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Aula 3: Conceitos Básicos e Medidas de Desempenhodiego/disciplinas/2015_1/FAC/arquivos/aula3… · Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 7 / 38..... Linguagem de Alto Nível
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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
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Conceitos Básicos
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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.
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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.
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Componentes Básicos de um Sistema de Computação
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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
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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.
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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.
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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).
▶ 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
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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.
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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.
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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, . . .
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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.
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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
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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
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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
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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
...
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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.
ProcessadorMemóriaPrincipal
Bit 0
Barramentode
Endereço
...
Bit 1
Bit 2
Bit L
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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.
ProcessadorMemóriaPrincipal
Bit 0
Barramentode
Dados
...
Bit 1
Bit 2
Bit L'
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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.
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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, . . . ).
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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
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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Medidas de Desempenho
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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?
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 35 / 38
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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.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 36 / 38
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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).
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 37 / 38
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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.