03-Dados Processamento e Transmissão

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O
Dados: Processamento e Transmissão
Processamento dos dados
Já vimos de onde vem os dados, como eles são armazenados
e como eles são exibidos. Mas e quanto ao seu
processamento, quem executa? Nesta aula responderemos a esta
pergunta e mais algumas outras que provavelmente já devem estar
passando pela sua cabeça! Em um computador os dados são
processados, o que equivale a dizer manipulados ou modificados pelo
processador, em particular pela Unidade Central de Processamento
(UCP) também pela sua sigla em inglês CPU (Central Unit Processor)
presente em seu interior. Atualmente a maioria dos computadores contam
com a ajuda de GPUs para o auxiliar no processamento de dados,
especialmente se os dados a serem processados envolverem a execução
de algoritmos de IA (Inteligência Artificial) ou então processamento gráfico,
isto é, de imagens estáticas ou em movimento (filmes). Antes de serem
processados digamos, pela CPU, os dados que podem vir de diversas
fontes como por exemplo, dos dispositivos de armazenamento em massa
ou de interfaces de comunicação como, por exemplo, uma interface WiFi,
precisam ser colocados na Memória Principal, também conhecida como
memória RAM (Random Acess Memory – Memória de Acesso
Randômico). Esta memória permitirá um acesso mais rápido aos mesmos
e dará agilidade à manipulação. Vamos então tratar de cada um destes
elementos separadamente.
 
Memória RAM - Características Gerais
Trata-se de uma memória de acesso mais rápida que a dos dispositivos
de armazenamento em massa. Ela é do tipo volátil, ou seja, perde seu
conteúdo quando o computador é desligado. Sua função é armazenar os
dados e os programas que estão sendo executados pelo computador
naquele instante ou que foram usados a pouco tempo e, tenha certeza,
são muitos!
Atualmente um bom computador pessoal possui pelo menos 16 GB deste
tipo de memória, já não é raro máquinas de uso pessoal com 32 GB
embora ainda sejam comercializadas, para esta finalidade, máquinas com
apenas 4 GB, fuja correndo de uma máquina destas! Ainda com relação a
quantidade de memória RAM é importante observar que a capacidade
máxima de um computador depende da quantidade de slots (locais de
instalação dos pentes) disponíveis na máquina e do sistema operacional
utilizado. Sobre os sistemas operacionais, para efeito de comparação e
focando apenas em máquinas de 64 bits, a Tabela 1 apresenta alguns
exemplos.
Memória RAM – Tipos e parâmetros
Atualmente as memórias RAMs estão disponíveis aos consumidores em
dois tipos, a saber, as DDR3 e as DDR4. Muito em breve devem chegar
ao mercado as do tipo DDR5, talvez no momento em que você estiver
lendo este material elas já estejam disponíveis! Neste texto não
trataremos das memórias do tipo DDR3, pois, muito em breve elas serão
completamente abandonadas, assim, convém entender um pouco das
memórias DDR4 e compará-las com as especificações já conhecidas das
do tipo DDR5. Consideremos separadamente cada parâmetro que as
diferem:
(a) Clock – Trata-se de um sinal de controle que oscila entre dois níveis
lógicos, o 0 e o 1, que que marca o momento para a troca de dados entre
a memória e os dispositivos que têm acesso à ela. Sua unidade é o Hz e
seus múltiplos, por exemplo, GHz. Uma memória que opera em 1.000
MHz é capaz de permitir a troca de dados 2 x 1.000.000.000 vezes em
um segundo, a multiplicação pelo fator 2 deve-se ao fato de a memória
ser capaz de trocar dados duas vezes durante uma oscilação completa.
Obviamente memórias com clocks maiores são melhores. Quanto ao
Tabela 1 – Memória RAM suportada por alguns Sistemas
Operacionais
clock as memórias DDR4 podem chegar a 4.266 MHz já as DDR5, a
especificação inicial assume que deverão atingir 6.400 MHz, porém,
fabricantes já apostam em 8.400 MHZ.
(b) Capacidade – As memórias RAMs possuem sua capacidade
limitada pela capacidade dos chips que são usados na construção dos
módulos (pentes). No caso das DDR4 os chips atingem no máximo a
capacidade de 8 GB (1 GB). Ainda com relação aos computadores
pessoais é possível comprar pentes com até 32 GB de memória, porém,
são muito caros e provavelmente será mais interessante comprar mais de
um pente com menor capacidade. Já as memórias DDR5, segundo a
especificação, possuem chips que podem atingir a capacidade de 64 GB
(8 GB) e, com isso, os pentes com 32 GB deixaram de ser apenas um
sonho para a maioria! Ainda com relação à capacidade deve-se observar
que para o segmento de computadores corporativos de alto desempenho
como, por exemplo, servidores pentes de maior capacidade estão
disponíveis. Um exemplo disso é o recente lançamento de um ente de
memória RAM da SAMSUNG com a incrível capacidade de 512 GB de
memória DDR5, um único pente!
(c) Consumo – A memória RAM é um componente de um computador
tão intensamente acessado e utilizado quando a CPU, por isso, sempre
que ela sofre uma melhoria em termos de consumo verifica-se que o
impacto é claramente perceptível. As memórias DDR4 já tiveram um
grande avanço neste sentido com relação às memórias DDR3, a redução
no consumo foi principalmente devido à redução na tensão de
alimentação que passou de 1,5 V para 1,2 V. Já nas DDR5 segundo a
especificação inicial a tensão de alimentação deverá ficar em 1,1 V e
novamente teremos uma redução no consumo de eletricidade.
(d) Outros parâmetros: Diversos outros parâmetros diferem as
memórias umas das outras, dentre eles os tempos de latência e o
tamanho do Burst Length, todos eles impactam no desempenho da
memória, porém, para finalizarmos o assunto é conveniente falar um
pouco das memórias registradas. Tais memórias são conhecidas como
memórias ECC (Error Correction Check – Checagem para correção de
erros) e são usadas em sistemas críticos e de alto desempenho como, por
exemplo, servidores. Nestas memórias todo valor armazenado possui bits
de validação que são transmitidos juntamente com o próprio dado e
permite a validação da informação transmitida, além disso, os bits
adicionais permitem em muitas situações a recuperação da informação
caso ela seja corrompida por algum problema.
 
Processador - Características Gerais
A processador é tido como o principal componente de um computador,
isto é realmente verdade, porém o computador simplesmente não
funcionaria sem outros de seus componentes, ou então mesmo tendo um
bom processador pode ter um baixo desempenho caso os outros
componentes não tenham sido bem dimensionados ou escolhidos, ou
seja, para um computador adequado não basta um bom processador!
Dito isso, um processador é um circuito integrado dentro do qual existem
muitos elementos, atualmente até mesmo GPUs! Dentre estes
componentes destacam-se a CPU e a memória cache. Vamos conhecer
um pouco a CPU, trata-se do dispositivo destinado ao processamento dos
dados e, para isso, deve contar com a ajuda de um programa. Como
mostrado na Figura 1, um programa inicialmente é um código fonte escrito
em uma linguagem qualquer, após a compilação ou a interpretação dá
origem às instruções, que são códigos numéricos reconhecidos pela CPU
e que dizem o que ela deve fazer naquele momento. A figura também
mostra o fluxo de dados para a execução de um programa, onde, tanto o
programa (em linguagem de máquina – códigos) quanto os dados
(arquivo sobre o qual o programa está trabalhando) são primeiramente
enviados para a memória RAM, em seguida para a memória cache e
finalmente tratados pela CPU. A figura simplifica um processo muito
complexo ela omite a participação do S.O. controlando o acesso à CPU
dentre muitas outras coisas, ou seja, ela representa apenas
superficialmente tudo o que acontece durante a execução de um
programa e o consequente processamento de dados.
CPUs – Componentes básicos
Internamente uma CPU possui alguns elementos básicos para auxiliar em
seu funcionamento, dentre estes elementos podemos destacar:
(a) Decodificador de instruções (DI): Já vimos que a instrução é um
código, este código precisa ser decodificado (traduzido) para ser
executado, o responsável por esta ação é odecodificador de instruções,
um circuito eletrônico que após a execução de seu trabalho ajusta os
parâmetros de entrada da Unidade de Controle que cuidará de
efetivamente executar a instrução.
(b) Unidade de Controle (UC): De posse de sinais vindo do
decodificador de instruções ela direciona os sinais de clock e aplica
parâmetros de controle em diversos outros dispositivos internos à CPU
(circuitos) para eles na ordem e no momento certo executem suas
funções.
(c) Unidade lógica e aritmética (ULA): Quando a instrução necessita da
execução de uma operação matemática (aritmética) ou lógica esta
unidade, sob o comando da UC realiza a operação.
 
CPUs – Tipos e parâmetros
(a) Clock – Novamente trata-se de um sinal de controle que oscila
entre dois níveis lógicos, o 0 e o 1, e que no caso de um processador
sincroniza as operações internas do mesmo, pode inclusive marcar o
momento para a troca de dados entre a memória cache e a CPU e entre a
memória cache e a memória RAM. Sua unidade é o Hz e seus múltiplos,
por exemplo, GHz. Para CPUs com mesma arquitetura quanto maior a
Figura 1 – Processo de execução
frequência do clock maior o desempenho da mesma. O aumento da
frequência de clock já foi uma das principais estratégias dos
desenvolvedores de CPUs para aumentar seu desempenho, porém,
quando a frequência atingiu algo em torno de 2 ou 3 GHz novos
aumentos passaram ser difíceis de serem conseguidos e, isto exigiu uma
nova abordagem para aumentar o desempenho dos processadores.
(b) Núcleos e threads – Uma das abordagens adotada pelos
desenvolvedores para aumentar o desempenho de um processador foi
incluir em seu projeto mais de uma CPU, o que corresponde aos núcleos
e ainda, dividir cada CPU em threads o que confere a cada CPUs
funcionar virtualmente como mais de uma CPU. Para que tudo isto
funcione o sistema operacional deve estar preparado para usar estes
recursos, além disso, os programas devem ser desenvolvidos de modo a
permitir a sua execução por mais de um thread. É importante observar
que quando um programa é executado ele é executado em um único
núcleo e pode ou não usar mais de um thread, os threads de um mesmo
núcleo nunca executam programas diferentes, assim, um processador
com dois núcleos pode em um dado instante executar mais de um
programa e isto é muito importante na computação atual, pois, a todo
instante em uma máquina dezenas de programas estão sendo
executados. Quanto maior a quantidade de núcleos e threads muito
provavelmente maior será a eficiência de um processador.
(c) Memória cache – Trata-se de uma memória volátil e de altíssima
velocidade localizada dentro do processador e dividida em dois módulos,
a chache de programa apara onde vão as instruções de um programa que
será executado pela CPU e a cache de dados para onde vão os dados
que serão tratados pelo programa. Na memória cache ficam os dados e
programas que serão imediatamente tratados pela CPU, após este
tratamento eles são enviados para a memória RAM e ficam até o
momento de serem novamente tratados. A memória cache, tanto de
dados como de programa é dividida em bancos assim, temos os bancos
L1, L2 etc. Quanto menos o índice do nome do banco (1 no caso de L1 e
2 no caso de L2) mais rápida é a memória. O uso desta memória de
altíssima velocidade garante que não faltarão informações para a CPU
trabalhar, o que certamente aconteceria caso estas informações viessem
diretamente da memória RAM. Quanto maior a quantidade de memória
cache melhor será o desempenho de um processador.
(d) Conjunto de instruções – Como já vimos as instruções são
códigos que dizem à CPU o que ela deve fazer, o qual não vimos ainda é
que por trás de cada instrução existe um circuito digital responsável por
sua execução. Frequentemente quando um novo processador é lançado
ele traz dentre suas melhorias a capacidade de executar novas instruções
que, de uma única vez, faz o trabalho que antes exigia a execução de
muitas instruções, obviamente isto traz ganho de desempenho, porém,
isto só é realmente atingido se o compilador que transformou o programa
em código de máquina estiver preparado para usar essas novas
instruções, ou então se a máquina virtual, responsável pela interpretação
do programa estiver preparada para também usar estas novas instruções.
Normalmente novas instruções surgem quando os projetistas de
processadores percebem que um tipo de operação(ões) está sendo muito
demandada pelos programas, este é o caso, por exemplo, de operações
envolvendo a execução de algoritmos de IA (Inteligência Artificial), devido
a crescente aplicação destes algoritmos os projetistas de processadores
já começam a pensar em criar instruções voltadas para otimizar a
execução destes algoritmos.
(e) Gerações: Os processadores evoluem ao longo do tempo. Nestas
evoluções muitos elementos da estrutura interna dos processadores
mudam um destes elementos pode ser a capacidade de executar novas
instruções. Para pôr ordem a estas evoluções anualmente os
desenvolvedores apresentam novas gerações. De uma geração para
outra a maneira como ele executa as instruções pode mudar, mesmo que
novas instruções não sejam acrescentadas, dizemos que ele possui uma
nova microarquitetura. Dentro de uma mesma geração podem existir
processadores com mais de uma microarquitetura. Além da
microarquitetura, gerações diferentes podem oferecer recursos diferentes,
normalmente evoluções de recursos anteriores como é o caso de suporte
a barramentos de comunicação PCIe 5.0 que estão começando a
aparecer nos processadores.
(f) GPUs integradas – Com o aprimoramento das técnicas de
fabricação dos CIs (Circuitos Integrados) a quantidade de transistores que
podem ser colocados dentro dos mesmos aumenta a cada ano, muito
devido à diminuição do tamanho deste componente que serve como
“tijolo” para a construção dos circuitos lógicos dentro do processador.
Aproveitando-se da possibilidade de se colocar mais transistores dentro
do processador, os desenvolvedores resolveram ali colocar além da CPU,
da memória cache e demais alguns outros módulos como, por exemplo,
controlador de acesso à memória, GPUs. Atualmente muitos
processadores possuem em seu interior o componente principal de uma
placa gráfica, a GPU. Tipicamente as GPUs presentes nos processadores
são de baixo desempenho e compartilham a memória RAM da máquina,
porém, como muitos consumidores, talvez a maioria, não precisam de
GPUs de alto desempenho esta solução acaba sendo uma vantagem
para ambos, os fabricantes de processadores que vendem o processador
e a GPU e o consumidor que paga menos no produto integrado do que
pagaria caso resolvesse comprar cada um deles separadamente!
(g) Segurança: Os desenvolvedores de processadores procuram
acrescentar aos seus produtos capacidades das mais variadas, uma
delas é a inclusão de GPUs aos mesmos, outras referem-se à segurança
de dados. Plataformas Intel hoje dispõem do hardware-enabled Intel® que
aumenta a proteção e permite que o ecossistema (sistema
computacional) aprimore a defesa contra as ameaças modernas e em
desenvolvimento. Segundo a Intel “O modelo herdado de software que
protege software não é capaz de acompanhar a evolução das ameaças
contra a segurança, a proteção e a privacidade digitais”. A solução
proposta pela Intel está presente diretamente dentro do processador e
visa proteger todas as camadas da pilha de computação (hardware,
firmware, sistemas operacionais, aplicações, redes e a cloud).
(h) Monitoramento: Monitorar o desempenho e a carga de trabalho
dos sistemas computacionais é de fundamental importância para gestores
de sistemas críticos, pois, caso a carga de trabalho atinja o limite ou, por
algum motivo, o desempenho seja prejudicado os serviços podem ser
comprometidos, já imaginou se os servidores da VISA entrarem em uma
sobrecarga inesperada! Atentos a este problema e percebendo uma
oportunidade a Intel dotou seus processadores de recursos coletivamente
chamados de monitoramento de desempenho de hardware (porexemplo,
PMU, PEBS, LBR). Esses recursos são usados pelo software de ajuste
de desempenho, como o Intel VTune Amplificador, para analisar o
desempenho do software e permitem ao administrador do sistema atuar
em um problema antes que ele ocorra.
 
BIOS - Características Gerais
Quando seu computador é inicializado o primeiro programa a ser
executado não é o S.O, mas sim, a BIOS (Basic Input Output System –
Sistema básico de entrada e saída). Trata-se de um programa residente
em uma memória flash localizada em sua placa mãe e é responsável
pelas seguintes funções:
(a) Executar o POST – O POST (Power-On Self-Test – Autoteste de
inicialização) é um teste de hardware executado para verificar se os
principais componentes do computador estão funcionando corretamente. 
Quando algum erro em algum componente é verificado, bips são emitidos
pelo alto-falante. É possível identificar o erro pelo tipo de bip.
(b) Na BIOS é possível ligar ou desligar hardwares onboard presentes
no sistema, diferentemente do desligamento feito por software pelo S.O.
quando desligado na BIOS o hardware onboard deixa de consumir
energia.
(c) Na BIOS é possível configurar o funcionamento de muitos recursos
com computador, dentre eles a frequência do clock da placa de vídeo e do
processador, habilitar ou não mais de um núcleo de processadores
multicores.
(d) Aspectos de segurança básicos e avançados também podem ser
configurados na BIOS.
 
A BIOS possui uma interface de usuário que pode ser acessada na
inicialização do computador pressionando determinadas teclas do teclado,
as mais comumente utilizadas são <DEL>, <F2> e <F12>. Durante a
execução da BIOS na inicialização do computador é comum aparecer
uma orientação escrita na tela do computador dizendo qual tecla deve ser
pressionada para entrar na sua interface de usuário, esta orientação não é
comum em notebooks.
O programa da BIOS pode ser atualizado caso haja uma versão nova, a
atualização pode corrigir erros da versão anterior, lembre-se que ela é um
programa, ou adicionar compatibilidade com dispositivos que não haviam
sido criados no momento de seu desenvolvimento. A atualização da BIOS
deve ser evitada quando os erros que serão corrigidos não afetam o
funcionamento do sistema, às vezes esses erros aparecem apenas
quando um determinado dispositivos é acrescentado ao sistema, ou
mesmo quando a compatibilidade com os novos dispositivos não lhe
interessa, pois, você não pretende colocá-los em seu computador. A
atualização da BIOS é um processo crítico e se algo der errado durante o
procedimento existe a possibilidade de o computador precisar de
assistência técnica.
A Figura 2 apresenta o momento de entrada na interface de usuário da
BIOS e as opções disponíveis, com destaque para a o ajuste de
performance com a possibilidade de desabilitar suporte a processadores
multicores.
 
 
Atividade Extra
 
Figura 2 - BIOS
Que tal vermos uma aplicação para processadores voltados para
aplicação de Inteligência Artificial? Assista ao vídeo disponível no link
(https://www.youtube.com/watch?v=w4z2Ov2_0F8) o vídeo oferece a
opção de legenda com tradução, aproveite!
 
 
Referência Bibliográfica
 
STALLINGS, W. Arquitetura e Organização de Computadores. 10. ed. São
Paulo: Editora Pearson Universidades, 2017.
https://www.youtube.com/watch?v=w4z2Ov2_0F8