Circuitos Integrados e Linguagens de Programação

Tipos de Computadores

• Computadores pessoais (PCs) normalmente incluem ecrã, teclado, rato e cálculo intensivo com IA.
• Servidores e supercomputadores.
• Computadores embutidos (embedded).
• Dispositivos móveis com bateria autónoma.

Servidores

• Servidores estão a crescer, formando clusters de servidores / centros de dados.
• Computação em nuvem.

Ideias de Arquitetura de Computadores

• Lei de Moore: Circuitos integrados, componentes básicos de computadores, duplicam a sua capacidade a cada 18-24 meses. Ajuda arquitetos a prever novos chips.
• Abstração: camadas de abstração ocultam camadas entre si; por exemplo, programadores não precisam de conhecer os detalhes do hardware.
• Paralelismo: execução de operações independentes em paralelo.
• Uso de pipelines.
• Antecipação: antecipar situações futuras.

Hierarquia de Memórias

• Memórias rápidas e caras com baixa capacidade (ex: cache).
• Memórias mais baratas e lentas com maior capacidade (ex: discos rígidos).
• Tolerância a falhas e redundância nos componentes.

Camadas de Abstração das Aplicações

• Application software
• Systems software
• Hardware

Compiladores

• Compiladores traduzem linguagens de alto nível (C, C++, etc.) para linguagens de máquina (código de baixo nível).
• Assembler traduz Assembly (linguagem de baixo nível) para linguagem de máquina.

Computador: Componentes

• Entrada: rato, teclado
• Saída: ecrã, impressora, alto-falantes
• Memória
• Caminho de dados
• Controlo: CPU (processador)

Cache

• Memória de acesso muito rápido, frequentemente usada para acessar dados a partir do processador.

CPU

• Mecanismos de controlo e caminho de dados.
• Instruções

Arquiteturas

• CISC (Complex Instruction Set Computing)
• RISC (Reduced Instruction Set Computing)
• PowerPC
• ARM

Desempenho Computacional

• Medidas: tempo de resposta, largura de banda (throughput), tempo de execução.
• Desempenho = 1/Tempo de execução.
• Tempo de CPU: usado na execução de um programa.
• Tempo do utilizador / do sistema (executa instruções do utilizador / do sistema operativo).
• Ciclo de relógio: tempo mínimo de uma operação básica no CPU.
• Frequência de relógio: inverso do ciclo de relógio (ciclos por segundo, Hz).

Tempo de CPU

• Tempo de CPU = Nº ciclos de relógio do programa * Ciclo de relógio
• CPI (ciclos por instrução): nº ciclos de relógio necessários para completar uma instrução máquina.
• Tempo de execução de um programa = nº instruções do programa * CPI / Frequência do relógio

Fatores de Desempenho

• Frequência do relógio do processador
• Quantidade de instruções do programa
• Número médio de ciclos de relógio por instrução (CPI)

Barreiras de Energia

• Frequência do relógio está diretamente relacionada com a energia necessária para o funcionamento do CPU.
• Custo energético do processador e custo de aumento do relógio.
• Temperatura e necessidade de alternativas.
• Uniprocessadores / Multiprocessadores
• Distribuição de processadores.
• Minimizar comunicação entre cores.

Benchmarks

• Programas que testam sistemas de hardware com tarefas exigentes, indicando o desempenho dos processadores.
• Modelos de Desempenho, como operações com vírgula flutuante e intensidade aritmética; desempenho de memória.

Intro Administração de Sistemas

• Planear e desenhar redes.
• Planear e desenhar sistemas de backup.
• Criar e apagar contas de utilizador.
• Ajudar e resolver problemas de utilizadores.
• Instalar e atualizar pacotes de software (principais e essenciais).
• Zelar pela segurança do sistema.
• Superutilizador: conta privilegiada para o administrador realizar tarefas.
• Comandos: sudo para executar tarefas como superutilizador.

Outros

• Interfaces: linha de comandos e interface gráfica.
• Ferramentas de administração de sistemas.
• Comunicação com os utilizadores: aplicação e reforço das políticas de segurança e gestão dos recursos; proporcionar condições aos utilizadores.
• Código de ética: profissionalismo, integridade, privacidade, atualização de conhecimentos, responsabilidade social.

Modelos de Aplicações Distribuídas

• Modelo Cliente-Servidor (centralizado)
• Modelo Peer-to-Peer (todos os computadores funcionam como clientes e servidores, partilham dados entre si).

Paralelismo

• Multiprocessador: sistema computacional com mais de um processador.
• Paralelismo ao nível do processador / tarefa
• Programação de processamento paralelo: programas únicos que correm em vários processadores.
• Cluster: conjunto de computadores ligados em rede que funcionam como um único grande multiprocessador.
• Microprocessadores multicore: vários processadores em um único circuito integrado.
• SMP (Symmetric Multiprocessing): processadores com memória partilhada.
• Construção de programas paralelos: partilha de trabalho em threads, sincronização e minimização da comunicação entre threads.
• Número de processadores afeta diretamente o desafio de otimizar o paralelismo.

Categorização de Hardware Paralelo

• SISD: fluxo de instrução único, fluxo de dados único (ex: processador único).
• MISD: fluxo de instrução múltiplo, fluxo de dados único (não muito comum).
• SIMD: fluxo de instrução único, fluxo de dados múltiplo (processa vários dados com a mesma instrução ao mesmo tempo).
• MIMD: fluxo de instrução múltiplo, fluxo de dados múltiplo (processa vários dados com várias instruções simultaneamente).

Multithreading

• Multithreading por hardware, otimiza a utilização de processador; muda de uma thread para outra quando é necessário, aumentando o desempenho.
• Threads compartilham um mesmo espaço de endereçamento de memória.
• Processos têm seu próprio espaço de endereçamento.

NUMA (Non-Uniform Memory Access)

• Memória não uniforme, como é feita a comunicação entre os processadores e as diversas memórias físicas.
• Aumenta o desafio ou a complexidade.

GPU (Unidade de Processamento Gráfico)

• Aceleradores que complementam o CPU.
• Processamento rápido com uso de multithreading por hardware.
• Mais otimizado para tarefas que envolvem algoritmos voltados para a largura de banda da memória.
• Possui memória otimizada para largura de banda em vez de latência.

Clusters e computadores de grande escala

Modelos Computação em Nuvem

• Sistema de paralelismo, usando serviços como SaaS, PaaS e IaaS.