Desempenho de Programas e Linguagens de Programação

Tipos de Computadores

• Computadores pessoais (PCs) geralmente incluem ecrã, teclado, rato e processamento de alta intensidade com IA.
• Servidores e supercomputadores
• Computadores embutidos (embedded)
• Dispositivos móveis (ex: smartphones) com autonomia de bateria.

Servidores

• Os servidores estão a crescer, organizados em clusters ou centros de dados.
• Computação em nuvem
• Software como serviço (SaaS)

Ideias de Arquitetura de Computadores

• Lei de Moore: circuitos integrados duplicam a capacidade a cada 18-24 meses, ajudando a prever novos chips.
• Abstração: várias camadas de abstração são escondidas para o programador, que pode priorizar funções e recursos com frequência.
• Paralelismo: executar operações independentes em paralelo para acelerar o processo.
• Antecipação: prever futuras necessidades numa determinada situação.

Hierarquia de Memórias

• Memórias rápidas e caras com baixa capacidade (ex: cache).
• Memórias lentas e baratas com maior capacidade (ex: discos rígidos, SSDs).
• Memórias voláteis (ex: RAM): perdem dados quando o computador é desligado.
• Memórias não voláteis (ex: discos rígidos, SSDs): mantêm os dados mesmo quando o computador é desligado.
• Tolerância a falhas: o sistema suporta falhas e mantém a funcionalidade.
• Redundância nos componentes: melhoria da confiabilidade.

Camadas de Abstração

• Mostra variações entre a camada hardware - software, que formam diferentes níveis de abstração.

Compilador

• Programa que traduz linguagens de alto nível (ex: C, C++) para instruções de máquina (código de máquina).

Computador

• Componentes de entrada (ex: rato, teclado).
• Componentes de saída (ex: ecrã, impressora, altofalantes).
• Memória.
• Caminho de dados (datapath).
• Controlo (CPU - processador).

Cache

• Armazena os dados mais frequentemente acessados para um acesso mais rápido.
• Acesso muito rápido dentro do processador (SRAM).

CPU - Unidade Central de Processamento

• Mecanismos para lidar com instruções e dados.
• Entrada de dados
• Controlo
• Caminho de dados
• Saída de dados

Arquiteturas

• CISC (Complex Instruction Set Computer).
• RISC (Reduced Instruction Set Computer).
• PowerPC - usado em Macs.
• ARM - usado em dispositivos móveis e portáteis.

Desempenho Computacional

• Medidas de desempenho: tempo de resposta, capacidade de processamento e largura de banda.
• Tempo do CPU: tempo de execução de um programa.
• Ciclo de relógio: tempo mínimo de uma operação básica no CPU.
• Frequência do relógio: inverso do ciclo de relógio.
• Tempo de CPU = número de ciclos de relógio * ciclo de relógio do programa.
• CPI (ciclos por instrução): Número de ciclos de relógio necessários para executar uma instrução.
• Fatores chaves de desempenho: frequência de relógio do processador, número de instruções do programa e CPI médio.

Barreiras de energia

• Consumo de energia de diferentes processadores e tempo de retorno.
• Escolha de alternativas.
• Uniprocessadores e Multiprocessadores

Benchmark

• Usado para avaliar o desempenho de um computador comparando diferentes computadores e suas comparações.
• SPEC: Criado para medir o desempenho de diferentes computadores.
• Média normalizada: Usada para avaliar o desempenho de computadores.

Lei de Amdahl

• A melhoria de desempenho e limitada pelo aumento no uso desse recurso.
• Tempo de execução após melhoria.

Máquinas de estado finito

• Representam sistemas com um número limitado de estados e transições.
• Estados: representados por símbolos (por exemplo, círculos, quadrados e outras formas), e os estados iniciais são marcados com setas.
• Transições: mudanças de estados, representados por setas.

Formalismos mais complexos

• Expressões regulares/ padrões.
• Máquina de pilha: dispositivo de memória.
• Gramáticas independentes do contexto: conjunto de regras de composição de símbolos.
• Máquinas de Turing: memórias de acesso aleatório.

Níveis de abstração

• Aplicações/ programas
• Linguagens de programação
• Bibliotecas
• Sistemas operativos
• Arquitetura (Computador)
• Circuitos/ Componentes
• Transístores

Domínio do Software

• Aplicações
• Linguagens de programação
• Bibliotecas
• Sistemas operativos
• Arquitetura (Computador)
• Componentes
• Transístores

Bibliotecas/Frameworks

• Instrumentos reutilizáveis de código que podem ser incluídos no programa.

Sistemas Operativos (SO)

• Camada de software, que permite que aplicações e bibliotecas se comuniquem com o computador.
• Núcleo (Kernel): parte principal do SO responsável pelo controlo direto do hardware.
• Tarefas da SO: gestão de memória RAM, controlo e tempo do programa no CPU, comunicação com dispositivos de input/output.

Arquitetura

• Forma de abstrair as funções iniciais do computador, em termos de instruções e funções básicas de processamento.
• 64-bits: capacidade de ler e escrever 64 bits pelo computador.

Componentes

• Organização dos computadores e suas partes, incluíndo CPU (Unidade Central de Processamento), memória, dispositivos de entrada e saída.
• Integração de componentes numa única peça.

Circuito Integrado (Chip)

• Coleção de componentes eletrônicos para uma função.
• Ex: processador, chip de memória.
• Capacidade de memória que depende de vários chips.
• Camadas de abstração no próprio chip.

Portas Lógicas

• Componentes eletrônicos básicos.
• Baseados em operações lógicas (AND, OR, NOT).
• Operam com valores binários.
• Valores representados no nível das tensões elétricas.

Transistores

• Componentes básicos em eletrônicos digitais.
• Baseados em tensões elétricas.
• Controlam o fluxo de elétrons nos circuitos.

Modelos de Aplicações Distribuídas

• Aplicativo centralizado em uma única máquina.
• Aplicativo distribuído em várias máquinas ligadas por uma rede.
• Modelo Cliente-Servidor: comunicação entre cliente e servidor.
• Modelo Peer-to-Peer: comunicação entre pares.

Paralelismo

• Multiprocessador: sistema com dois ou mais processadores.
• Paralelismo ao nível do processo, tarefa ou programa.
• Simultaneamente vários processadores para melhoria do desempenho.
• Clusters: computadores ligados em rede funcionando como um único computador.
• Microprocessador Multicore: vários processadores num único circuito integrado.

Categorização de Hardware

• SISD (Single Instruction, Single Data).
• MISD (Multiple Instruction, Single Data).
• SIMD (Single Instruction, Multiple Data).
• MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).

Multithreading por Hardware

• Thread: unidade de trabalho mais leve que o processo.
• Compartilhamento do espaço de endereço de memória pelos threads.
• Processador Multicore: uso de vários processadores para acelerar as operações.

NUMA (Non-Uniform Memory Access)

• Espaço de memória único.
• Memória acessível a todos os processadores, mas a latência pode ser variável entre os processadores.

Unidade de Processamento Gráfico (GPU)

• Acelerador que complementa o CPU, sendo mais rápido na tarefa de processamento grádico e em cálculos paralelos.
• Usam multithreading para processamento acelerado.

Clusters e Computadores de Grande Escala

• Computadores agrupados em rede para cálculos de grandes escalas.
• Utilização de paralelismo, minimizando os problemas causados pela escala.

Modelos de Computação em Nuvem

• Arquitetura baseada em paralelismo que disponibiliza recursos compartilhados em uma rede.

Benchmarks

• Programas que testam o desempenho de hardware e software.
• Indicadores do desempenho dos processadores com tarefas específicas.
• Modelos de desempenho para testes e análise.
• Desempenho de cálculos de vírgula flutuante e de outros indicadores.

Administração de Sistemas

• Planeamento, backup, criação e gestão de contas de usuários.
• Instalação e atualização de software.
• Gestão do sistema e segurança.

Métodos para acessar um superusuário.

• métodos de acesso para administradores do sistemas.

Interface de Usabilidade

• opções de interfaces para tarefas.