Aula 3: Conceitos Básicos e Medidas de Desempenho

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1 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

2 Conceitos Básicos Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 2 / 38

3 Sistema de Computação Conjunto de componentes integrados com o objetivo de manipular dados e gerar informações úteis Exemplos de componentes: Processador Memória Dispositivos de E/S Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 3 / 38

4 Unidade Mínima de Informação: Bit No 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 4 / 38

5 Componentes Básicos de um Sistema de Computação Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 5 / 38

6 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 6 / 38

7 Instruções Básicas Algoritmo é executado pelo hardware Mas hardware não entende operações complexas como Leia o número da conta a partir do DOC 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 7 / 38

8 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 8 / 38

9 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) Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 9 / 38

10 Componentes: Memória Dispositivo de armazenamento de informações Dados, instruções Processador acessa informações na memória 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 10 / 38

11 Componentes: Memória Principal Dispositivo de memória acessado frequentemente pelo processador Programas e dados precisam ser carregados nesta memória, antes de utilizados pelo processador 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 11 / 38

12 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 12 / 38

13 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, Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 13 / 38

14 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 14 / 38

15 Interconectando os Componentes: Barramentos Componentes precisam se interconectar de alguma forma eg, processador precisa acessar memória principal eg, 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 15 / 38

16 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 16 / 38

17 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 75 Endereço Dados Controle Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 17 / 38

18 Barramento de Controle: Detalhes Processador Memória Principal INT ACK Fios (bits) independentes Cada fio (bit) tem um significado diferente L E Requisitar leitura Requisitar escrita Legenda: Barramento de Controle INT - Interrogação ACK - Ok L - Sinal de Leitura E - Sinal de escrita Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 18 / 38

19 Barramento de Endereços: Detalhes L fios (bits) relacionados Cada fio (bit) é visto como um algarismo binário Conjunto ordenado de bits indica um número O endereço L é a largura do barramento Quanto maior a largura, mais endereços podem ser representados Para uma largura L, 2 L endereços Processador Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit L Barramento de Endereço Memória Principal Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 19 / 38

20 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 2 L valores diferentes Processador Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit L' Barramento de Dados Memória Principal Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 20 / 38

21 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 de transferência Quanta informação podemos transmitir em um determinado intervalo? Exemplo: Largura (de dados): 32 bits Frequência: 100 MHz Taxa de transferência: L F = = 3200 Mb/s Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 21 / 38

22 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, ) Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 22 / 38

23 Pontes: Northbridge e Southbridge UCP 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 23 / 38 Placa Gráfica Gerador de Clock Barramento Gráfico de Alta Velocidade (AGP ou PCI Express) Slots PCI Barramento PCI Chipset Flash ROM (BIOS) Northbridge (hub controlador da memória) Southbridge (hub controlador de E/S) IDE SATA USB Ethernet Audio Codec CMOS Memory LPC Bus Front-side bus Barramento Interno Super I/O Porta Serial Porta Paralela Teclado Mouse Barramento de Memória Barramento PCI Bancos de Memória Placa Gráfica On-Board Cabeamentos e Conectores

24 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 Binário Valor Prefixo Valor Prefixo 1000 k (kilo) 1024 Ki (kibi) M (mega) Mi (mebi) G (giga) Gi (gibi) T (tera) Ti (tebi) P (peta) Pi (pebi) E (exa) Ei (exbi) Z (zetta) Zi (zebi) Y (yota) Yi (yobi) Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 24 / 38

25 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 um conjunto ordenado de 8 bits Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 25 / 38

26 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 estes aspectos O tamanho dos registradores é o mais comum Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 26 / 38

27 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 27 / 38

28 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 28 / 38

29 Medidas de Desempenho Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 29 / 38

30 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 30 / 38

31 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 capaz de terminar mais rapidamente uma determinada tarefa Tempo de Resposta Intervalo entre o início e o fim da execução de uma determinada tarefa Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 31 / 38

32 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 requisição individual, é atender ao maior número possível de requisições por unidade de tempo Exemplo: requisições atendidas por segundo Vazão Quantidade de trabalho realizada por unidade de tempo Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 32 / 38

33 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 33 / 38

34 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 Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 34 / 38

35 Medidas Comuns de Desempenho: Eficiência Energética Em alguns sistemas, o consumo energético é tão ou mais importante que vazão ou tempo de 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

36 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 estes componentes E dos seus desempenhos individuais Exemplo: Um disco rígido lento resultará em pouca eficiência na leitura de arquivos mesmo com processadores rápidos Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 36 / 38

37 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

38 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 Comprimento Unidade Descrição Micrômetro (µm) 10 3 mm Nanômetro (nm) 10 6 mm Angström (Å) 10 nm Tempo Unidade Milissegundo (ms) Microssegundo (µs) Nanosegundo (ns) Picosegundo (ps) Descrição 10 3 s 10 6 s 10 9 s s Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 38 / 38