Conceitos Básicos de Arquiteturas de Computadores

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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
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 2 / 38
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Sistema de Computação
Conjunto de componentes integrados com o objetivo de manipular dados e gerar
informações úteis.
Exemplos de componentes:
I Processador.
I Memória.
I Dispositivos de E/S.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 3 / 38
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Unidade Mínima de Informação: Bit
No nível mais básico, computadores representam informações através de bits.
I Binary Digit.
Dois possíveis valores: 0 ou 1.
Computadores mais antigos trabalhavam com algarismos decimais.
I Dez possíveis valores.
I Com o uso da eletrônica digital, bits se tornaram mais práticos.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 4 / 38
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Componentes Básicos de um Sistema de Computação
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 5 / 38
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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
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 6 / 38
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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 do
DOC”.
É preciso traduzir estas operações para instruções básicas.
I Aquelas entendidas pelo hardware.
Exemplos de instruções básicas comuns:
I Some dois números.
I Mova uma informação de um lugar da memória para outro.
I Leia um caractere correspondente a uma tecla pressionada.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 7 / 38
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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.
I Difícil para um humano compreender rapidamente.
Solução: criar uma linguagem mais legível e um programa que faça a tradução.
I Um compilador ou interpretador.
Resultado: hierarquia de linguagens.
I Linguagens de baixo nível: próximas do que é entendido pelo hardware
I Linguagens de alto nível: mais abstratas e legíveis.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 8 / 38
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Componentes: Processador
UCP: Unidade Central de Processamento.
I 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
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Componentes: Memória
Dispositivo de armazenamento de
informações.
I Dados, instruções.
Processador acessa informações na
memória.
I Próxima instrução a ser executada.
I Operandos da instrução a ser executada.
Organizada em vários níveis.
I Registradores.
I Cache.
I Memória principal.
I Memória secundária.
Registradores
Memória Cache
Memória Principal
Memória Secundária
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 10 / 38
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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 pelo
processador.
Nos computadores modernos mais comuns, esta memória é do tipo RAM.
I Random Access Memory.
I Significa que processador pode acessar qualquer posição da memória a qualquer momento.
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Memória Secundária
Memória não-volátil.
I 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:
I Mouse, teclado, touchscreen, microfone.
I Mas também pendrive, cartão de memória, . . .
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 13 / 38
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Dispositivos de Saída
Necessários para apresentação dos resultados da computação.
Exemplos de dispositivos:
I Monitor, impressora.
I Em certos casos, leds.
I Dispositivos de armazenamento em massa também podem ser considerados.
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Interconectando os Componentes: Barramentos
Componentes precisam se interconectar de alguma forma.
I e.g., processador precisa acessar memória principal.
I e.g., dados lidos de dispositivo de E/S precisam ser armazenados em memória.
Interconexão é feita através de barramentos.
I Meio compartilhado de comunicação.
I 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:
I Barramento de dados (BD).
I Barramento de endereço (BE).
I 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.
I BC: indica comunicação entre UCP e memória e operação de escrita.
I BD: contém o valor do dado (no caso, 75).
I BE: contém o endereço a ser escrito (no caso, 37).
UCP
Memória
Endereço
Dados
Controle
75 37 37
0
...
...
75
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Barramento de Controle: Detalhes
Fios (bits) independentes.
Cada fio (bit) tem um significado diferente.
I Requisitar leitura.
I Requisitar escrita.
I . . .
Processador MemóriaPrincipal
INT
ACK
L
E
Barramento
de 
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 algarismo
binário.
Conjunto ordenado de bits indica um
número.
I O endereço.
L é a largura do barramento.
I Quanto maior a largura, mais endereços
podem ser representados.
I Para uma largura L, 2L endereços.
Processador MemóriaPrincipal
Bit 0
Barramento
de 
Endereço
...
Bit 1
Bit 2
Bit L
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Barramento de Dados: Detalhes
Similar ao barramento de endereços.
I Fios (bits) são relacionados.
I Algarismos binários de um número.
F Dado a ser armazenado/lido.
Também possui uma largura L′.
I Possivelmente diferente de L.
I É possível transferir 2L′ valores diferentes.
Processador MemóriaPrincipal
Bit 0
Barramento
de 
Dados
...
Bit 1
Bit 2
Bit L'
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Barramentos: Taxa de Transferência
Um barramento opera a uma determinada frequência.
I Uma transferência no barramento demora algum tempo.
I Quantas vezes podemos utilizá-lo em um determinado intervalo?
I Valor dado (normalmente) em Hz (1/s).
A frequência de operação e a largura do barramento de dados determinam a taxa de
transferência.
I Quanta informação podemos transmitir em um determinado intervalo?
Exemplo:
I Largura (de dados): 32 bits.
I Frequência: 100 MHz.
I Taxa de transferência: L× F = 32× 100 = 3200 Mb/s.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 21 / 38
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Barramentos nos Computadores Modernos
Processador poderia estar conectado a todos os dispositivos por um único barramento.
Mas isso é ineficiente.
I Dispositivos têm tempos de acesso muito diferentes.
I Memória principal é rápida.
I Dispositivos de E/S são lentos.
F E alguns, mais lentos que outros.
Solução: múltiplos barramentos ligados por pontes.
I Barramento do sistema (processador, memória principal e memória cache).
I Barramento de E/S de alta velocidade (HDs, placa de rede, placa de vídeo, . . . ).
I Barramento de E/S de baixa velocidade (teclado, mouse, impressora, scanner, . . . ).
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 22 / 38
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Pontes: Northbridge e Southbridge
Pontes conectam barramentos.
Northbridge:
I UCP.
I Barramentos de placas gráficas.
I Barramento de memória.
Southbridge:
I Barramento PCI.
I Dispositivos de E/S lentos.
Northbridge e Southbridge formam o chipset.
I Dentro do chipset, há um barramento interno.
Front-side bus: conecta UCP ao Northbridge.
UCP
Flash ROM
(BIOS)
Super I/O
Porta Serial
Porta Paralela
Teclado
Mouse
Northbridge 
(hub controlador
da memória)
Southbridge
(hub controlador
de E/S)
IDE
SATA
USB
Ethernet
Audio Codec
CMOS Memory
Placa
Gráfica
On-Board
Gerador 
de ClockPlaca 
Gráfica
Barramento
Gráfico de
Alta Velocidade
(AGP ou PCI
Express)
Chipset
Front-side
bus
Barramento
de Memória
Bancos de 
Memória
Barramento
PCI
Slots PCI
LPC
Bus
Barramento
Interno
Barramento
PCI
Cabeamentos
e Conectores
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 23 / 38
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Unidades de Informação: Byte
Unidade básica é o bit.
I Toda informação precisa ser codificada em um ou mais bits.
Outra unidade comum é o byte.
I Grupo ordenado de 8 bits.
I Definido pela IBM como unidade básica de armazenamento e transferência de dados.
I Comumente precedido de um multiplicador, ou prefixo:
Decimal Binário
Valor Prefixo Valor Prefixo
1000 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)
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 24 / 38
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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.
I 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
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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.
I Tamanho da maior parte dos registradores.
I Número de bits sobre os quais operações são realizadas.
I Número de bits transferidos entre UCP e memória.
I Tamanho de uma instrução.
I . . .
Note que processadores reais nem sempre usam o tamanho da palavra para todos estes
aspectos.
I 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.
I Metade de um octeto.
Termo pouco usado atualmente.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 27 / 38
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Outras Unidades de Informação: Arquivo e Registro
Arquivo: conjunto de dados de um mesmo tipo para uma dada aplicação.
Exemplos:
I Arquivo listando alunos da turma.
I Arquivo contendo um vídeo.
Arquivos normalmente são compostos por registros.
I Um aluno específico no arquivo de alunos.
I Um quadro específico no vídeo.
Arquivos são tipicamente armazenados em memória secundária.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 28 / 38
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Medidas de Desempenho
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 29 / 38
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Desempenho de um Computador
Aspecto importante para projetistas e usuários.
Escolher hardware adequado a determinado sistema.
Mas não é trivial.
I Computadores modernos são complexos e certos aspectos de difícil predição.
Outro problema: como definimos desempenho?
I Vazão.
I Tempo de resposta.
I Eficiência energética.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 30 / 38
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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 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
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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 requisição
individual, é atender ao maior número possível de requisições por unidade de tempo.
I Exemplo: requisições atendidas por segundo.
Vazão
Quantidade de trabalho realizada por unidade de tempo.
Diego Passos (UFF) Conceitos Básicos FAC 32 / 38
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Vazão vs. Tempo de Resposta
Tempo de resposta e vazão parecem equivalentes.
I Ou consequências um do outro.
Por exemplo:
I No processador A, tarefa demora 10 s.
I No processador B, 5 s.
I Tempo de resposta em A: 10 s.
I Tempo de resposta em B: 5 s.
I Vazão em A: 1 tarefa em 10 segundos = 0,1 tarefas por segundo.
I Vazão em B: 1 tarefas em 5 segundos = 0,2 tarefas por segundo.
I 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.
I E vice-versa.
Mas isso nem sempre é verdade.
Exemplo:
I Dois processadores A e B.
I Ambos executam executam a tarefa em 5 segundos.
I Mas processador A é capaz de executar duas tarefas simultaneamente.
I Se há apenas uma tarefa, tempo de resposta é igual.
I Mas processador A resulta em melhor vazão.
F 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 tempo
de resposta.
I Dispositivos alimentados por bateria.
I Grandes data centers com alto consumo energético.
Neste caso, queremos ter boa vazão ou tempo de resposta.
Mas relativamente ao consumo energético.
I Quanto trabalho é feito por unidade de energia consumida?
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Fatores que Influenciam o Desempenho
Um computador possui diversos componentes.
I Processador.
I Memória.
I Dispositivos de E/S.
I Barramentos.
I . . .
O desempenho do computador como um todo depende da interação entre estes
componentes.
I E dos seus desempenhos individuais.
Exemplo:
I Um disco rígido lento resultará em pouca eficiência na leitura de arquivos mesmo com
processadores rápidos.
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Medidas Comuns de Desempenho de Componentes
Processadores:
I Velocidade de execução de instruções: número de instruções por segundo (FLOPS, MFLOPS,
EFLOPS, . . . ).
I Grau de paralelismo: número de núcleos.
Memória:
I Tempo de acesso (s).
Barramentos:
I Frequência (Hz).
I Largura (bits).
I Taxa de transferência (b/s)
Dispositivos de E/S:
I Latência (s).
I Vazão (b/s).
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Ordens de Grandeza
Nos computadores modernos, as ordens de grandeza são geralmente extremas.
I Tempos muito curtos.
I Volumes de dados muito grandes.
I Número de instruções muito grande.
I 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 (A˚) 10 nm
Tempo
Unidade Descrição
Milissegundo (ms) 10−3 s
Microssegundo (µs) 10−6 s
Nanosegundo (ns) 10−9 s
Picosegundo (ps) 10−12 s
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