Arquitetura de Computadores e Sistemas

Tipos de Computadores

• Computadores pessoais (PCs) geralmente incluem tela, teclado, mouse e calculam tarefas intensivas com IA.
• Servidores e supercomputadores são usados para tarefas de grande escala.
• Computadores embarcados (embedded) são usados em dispositivos eletrônicos como automóveis e eletrodomésticos.
• Dispositivos móveis (PMD) têm bateria autônoma.

Servidores e Dados

• Os servidores estão crescendo, formando clusters para gerenciamento de dados.
• A computação em nuvem é um modelo de computação onde os recursos computacionais são fornecidos sob demanda através de uma rede, normalmente a internet.

Ideias de Arquitetura de Computadores

• Lei de Moore: Os circuitos integrados duplicam sua capacidade aproximadamente a cada 18-24 meses.
• Abstração: As camadas de abstração escondem detalhes complexos de hardware, facilitando a programação.
• Paralelismo: Para acelerar o processamento, executando operações independentemente em paralelo.

Hierarquia de Memórias

• Memórias rápidas e caras, como a cache, são usadas para acesso rápido a dados frequentemente utilizados.
• Memórias lentas e baratas, como discos rígidos, são usadas para armazenar grandes quantidades de dados.

Componentes do Computador

• Entrada (input): Processa dados e informações do mundo físico (ex: rato, teclado).
• Saída (output): Retorna informações que processou para o mundo físico (ex: tela, impressora, etc)
• Memória: Armazena dados e instruções.
• Caminho de dados: Move dados entre componentes.
• CPU/ Processador: Faz processamento e controle.

Arquiteturas

• CISC (Complex Instruction Set Computing): Usado em PCs
• RISC (Reduced Instruction Set Computing): Usado em dispositivos móveis e chips de aplicações embutidos
• ARM: Usado em smartphones, tablets e outros dispositivos móveis.
• x86: Usado em computadores pessoais.

Desempenho Computacional

• Desempenho é medido pelo tempo de resposta (tempo de processamento) ou largura de banda (quantidade de dados processados por unidade de tempo).
• Tempo de execução da CPU: Tempo gasto por um programa na CPU.
• Ciclo de relógio: O tempo mínimo para executar uma operação básica numa CPU.
• Frequência do relógio: O inverso do ciclo do relógio, medido em ciclos por segundo (Hz).

Tempo da CPU

• Dado pelo número de ciclos de relógio do programa multiplicado pelo ciclo de relógio.
• CPI (ciclos por instrução): O número médio de ciclos de relógio necessários para executar uma instrução.
• Tempo de Execução: Número de instruções do programa multiplicado por CPI e dividido pela frequência do relógio.

Fatores de Influência

• Frequência do Relógio: A alta frequência significa ciclos de relógio mais rápidos e, portanto, melhor desempenho.
• Quantidade de Instruções: O número de instruções afeta o tempo de execução.
• CPI (ciclos por instrução): Quanto menor o CPI, mais rápido o processamento e o desempenho.
• Fatores indiretos, incluindo: algoritmo, linguagem de programação, compilador, e arquitetura da infraestrutura.

Barreira de Energia

• O custo energético de processamento aumenta com o aumento da frequência.
• A temperatura afeta o desempenho de processadores.
• Alternativas podem ser usadas para reduzir os requisitos de energia.

Arquitetura de Pilhas e Transições

• Máquina de estado: um modelo matemático que descreve um sistema que pode existir em vários estados, e que muda de um estado para outro em resposta a eventos.
• Estados: Representando estados possíveis ou passos.
• Transições: Definindo como os estados mudam.

Formalismos

• Expressões regulares: Uma forma de descrever padrões em strings de caracteres.
• Máquina de pilha: Um modelo computacional que utiliza uma pilha para armazenar dados.
• Gramáticas independentes de contexto: Uma gramática que define como as sentenças podem ser construídas.
• Máquina de Turing: Um modelo computacional universal, com as mesmas capacidades de qualquer computador.

Níveis de Abstração

• Organização de nível hierárquico de componentes.
• Domínio de aplicação: Software e programação de alto nível.
• Domínio digital: Dados organizados através de bit e bytes.
• Domínio analógico: Dados representados por níveis de tensão elétrica contínuos.

Aplicações Distribuídas

• Sistemas centralizados: Todos os componentes em uma única máquina.
• Sistemas distribuídos: Componentes espalhados em várias máquinas.
• Modelo cliente-servidor: Servidor que armazena dados e clientes que solicitam acesso.
• Modelo ponto-a-ponto (peer-to-peer): Todos os computadores atuam como clientes e servidores.

Paralelismo

• Multiprocessador: Sistema que tem vários processadores.
• Clusters: Um agrupamento de várias máquinas.
• Paralelismo de nível de tarefas: Tarefas independentes são executadas simultaneamente.
• Paralelismo de nível de instruções: Instruções dentro de uma tarefa podem ser executadas em paralelo.

Categorização de Hardware Paralelo

• SISD (Single Instruction, Single Data): Um único processador executa uma única instrução em uma única stream de dados.
• SIMD (Single Instruction, Multiple Data): Um único processador executa a mesma instrução em múltiplas streams de dados.
• MISD (Multiple Instruction, Single Data): Muitos processadores executam instruções diferentes na mesma stream de dados.
• MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data): Muitos processadores executam diferentes instruções em diferentes streams de dados.

Multithreading por Hardware

• Fine-grained multithreading: Muitas trocas de contextos de thread.
• Coarse-grained multithreading: Poucas trocas de contextos de thread.

Arquitetura de processadores multicore e memória compartilhada

• Processadores com vários núcleos partilham o mesmo espaço de memória.
• A interconeção entre processadores e memória é crucial.
• Unidade de Memória Unificada (UMA): Todos os processadores acessam a mesma memória física.

Unidade de Processamento Gráfico (GPU)

• Aceleração de tarefas paralelas, como processamento gráfico.
• Utilização de vários processadores paralelos para tarefas.
• Aplicação de técnicas como memória otimizada para largura de banda em vez de latência.

Clusters e Computadores de Grande Escala

• Uma configuração com várias máquinas conectadas.
• Permite atingir paralelismo.
• Computadores de grande escala são úteis para tarefas complexas.

Modelos de Computação em Nuvem

• Utilização de recursos de computação sob demanda, escaláveis e em nuvem.

Benchmarks

• Programas usados para testar e comparar o desempenho de hardware.
• Indicam pontos fortes e fracos de um sistema.
• Resultados permitem medir o desempenho de tarefas específicas e a memória.

Introdução à Administração de Sistemas

• Planejar e desenhar redes e backup.
• Gerenciar contas de usuário.
• Instalar e atualizar softwares.
• Manutenção da segurança do sistema.
• Controle de acesso dos usuários.

Interface e Ferramentas

• Linha de comandos versus GUI (interface gráfica).
• Ferramentas para administrar sistemas, como gerenciar recursos e usuários.
• Uso de scripts e comandos automatizados.

Comunicação com Usuários

• Políticas para controlar a segurança e gestão de recursos.
• Gerenciamento de usuário para garantir controle de acesso e desempenho.

Código de Ética

• Ética profissional, respeito pela privacidade, atualização de conhecimentos, responsabilidade social.