Componentes e Paradigmas Computacionais

Componentes e Paradigmas Computacionais

• Tipos de computadores:
  • Computadores pessoais (PCs) normalmente incluem ecrã, teclado, rato e cálculo intensivo com IA.
  • Servidores e supercomputadores.
  • Computadores embutidos (embedded).
  • Dispositivos móveis (PMDs) com bateria autónoma.
• Servidores estão a crescer -> aglomerados de servidores/centros de dados.
• Computação em nuvem.
• SaaS - software como serviço.
• Lei de Moore:
  • Circuitos integrados, componentes básicos de computadores, duplicam a sua capacidade a cada 18-24 meses.
  • Ajuda arquitetos a prever novos chips quando constroem computadores.
• Abstração:
  • As várias camadas são abstraídas entre si.
  • Ex: Um programador não precisa saber detalhes de hardware para programar.
  • Rapidez de casos comuns -> maior investimento nestes casos.
  • Paralelismo: operações independentes em paralelo.

Hierarquia de memórias

• Capacidade vs. Rapidez:
  • Memórias caras são rápidas, memórias baratas são lentas, mas com maior capacidade.
• Memória volátil: precisa de energia (como RAM).
• Memória não volátil (ROM, discos rígidos, SSD): mantém dados mesmo sem energia.
• Tolerância a falhas e redundância nos componentes.

Camadas de abstração das aplicações

• Application Software
• Systems Software (sistemas operativos, compiladores).
• Hardware.

Compilador

• Traduz linguagens de alto nível (C, C++) para linguagem da máquina (código máquina).
• Assemblador: traduz código de montagem para linguagem da máquina.

Computador

• Entrada de dados (input): rato, teclado.
• Saída de dados (output): ecrã, impressora, altifalante.
• Memória.
• Caminho de dados (datapath).
• Controlo (CPU, processador).
• Cache: acesso rápido de dados muito acessados pelo processador, SRAM.

Acesso

• Acesso aleatório (frequente) é rápido (cache, DRAM).
• Uso de discos rígidos, SSDs para guardar dados.

CPU

• Mecanismos de controlo e caminho de dados.
• Instruções: fluxo de trabalho.

Arquiteturas

• CISC (Complex Instruction Set Computer)
• RISC (Reduced Instruction Set Computer)
• PowerPC (Mac novos)
• ARM (portáteis, tablets, etc.)

Desempenho computacional

• Medidas de desempenho: tempo de resposta, largura de banda (throughput).
• Desempenho = 1/Tempo de execução.
• Tempo de CPU: instruções usadas pelo utilizador/sistema operativo.
• Ciclo de relógio: tempo mínimo para uma operação básica no CPU.
• Frequência de relógio (Hz): ciclos por segundo.

Tempo de CPU

• Cálculo do tempo de CPU, incluíndo ciclos de relógio, instruções, e fator de execução.

Fatores importantes do Desempenho

• Frequência do relógio do processador, quantidade de instruções executadas, e ciclos de relógio por instrução (CPI).

Fatores indiretos do Desempenho

• Algoritmo
• Linguagem de programação
• Compilador
• Arquitectura do conjunto de instruções.

Barreira de energia

• Frequência de relógio e custo energético dos processadores.
• Alternativas que minimizem a energia, como temperaturas baixas.

Uniprocessadores / Multiprocessadores

• Distribuição de tarefas entre os vários processadores.
• Minimização das comunicações entre processadores.

Benchmarks

• Programas que medem o desempenho de diferentes computadores.
• Ex: SPEC (System Performance Evaluation Cooperative)

EspecRatio

• Medição da execução normalizada de 12 benchmarks diferentes.

Lei de Amdahl

• Aumento de desempenho limitado pelo uso da melhoria.

Máquinas de estado finito

• Modelos que representam um sistema com um número limitado de estados.
• Transições entre os estados definidas por regras e transições.

Formalismos mais complexos

• Expressões regulares: padrões de símbolos.
• Máquinas de pilha: memória para resultados temporários.
• Gramáticas independentes de contexto: regras que determinam padrões de símbolos.
• Máquinas de Turing: memórias de acesso aleatório.

Abstração e comunicação entre camadas

• Níveis de abstração, camadas, aplicações, linguagens de programação, bibliotecas, sistemas operativos, arquiteturas, circuitos integrados, portas lógicas, transistores, etc.
• Domínios do software e digital
• Domínio analógico: abstraindo o funcionamento electrónico do computador

Bibliotecas e Frameworks

• Pré-fabricação de código com funcionalidades pré-definidas para aplicações.
• Os programadores não precisam criar tudo.

Sistemas operativos

• Camada com ferramentas para comunicação de aplicações com o computador, como gerir a memória.
• Kernel (núcleo): controla a comunicação e o hardware.

Arquitetura

• É a abstracção do funcionamento do computador.
• Instruções, Processadores, Memória, etc..

Circuito Integrado (Chip)

• Agrega milhões/biliões de unidades elétricas para funções específicas: processador, memória.

Componentes integradas

• CPU, memória, periféricos, etc.
• Organização dentro do computador.
• Interligação através de sistemas.

Portas lógicas

• Circuitos eletrônicos que executam operações lógicas (AND, OR, NOT).
• Transformam as tensões eléctricas em símbolos 1 e 0 que são usados nos computadores, ou verdadeiro e falso.

Multithreading por Hardware

• Thread: unidade leve de processo que pode executar tarefas simultaneamente
• Compartilham espaço de memória em processadores para maior eficiência.

Processadores Multicore e memória partilhada

• A divisão de processadores multicore num único espaço com memória partilhada otimiza o desempenho do processo.
• Unified Memory Address (UMA) com latência de acesso a memória constante para qualquer processador.

NUMA (Non-Unified Memory Access)

• Espaço de endereçamento de memória diferente para vários processadores.

Unidade de processamento gráfico (GPU)

• Aceleradores para processamento rápido de tarefas.
• Usam Multithreading
• Utilizam memórias otimizadas para largura de banda.

Clusters e computadores de larga escala

• Interligação de vários computadores para maior capacidade.
• Paralelismo e otimização distribuída.
• Partilha de recursos para cálculos e comunicações (custo-eficiente).

Modelos de computação em nuvem

• Utilizam o paralelismo de vários computadores.
• Serviços (SaaS, PaaS, IaaS).

Benchmarks

• Programas que medem o desempenho de diferentes computadores.

Administração de sistemas

• Tarefas um administrador de sistemas pode executar (planear e desenhar redes/sistemas de backup, criação e apagamento de contas, gestão de problemas, atualização e instalação de software, segurança do sistema, e comunicação com os utilizadores).

• Método super-utilizador (sudo).

• Meio mais apropriado para efetuar tarefas num sistema operativo.

• Formas de comunicação com utilizadores (gráficos ou linha de comando), uso de ferramentas para tarefas administrativas (consulta de informação, histórico, ou tempo real, ou scripts).

• Códigos de ética profissional

Modelos de aplicações distribuídas

• Aplicativos centrais ou distribuídos em múltiplos nós.

• Modelo Cliente-Servidor: um servidor central armazena e processa os dados; os clientes pedem dados e funcionalidades ao servidor.

• Modelo Ponto-a-Ponto (P2P): os computadores atuam como clientes e servidores.