Funções do Ciclo de Relógio em Sistemas Operacionais

Tipos de Computadores

• Computadores pessoais (PCs) geralmente incluem tela, teclado, mouse e processamento de alta intensidade (IA).
• Servidores e supercomputadores são projetados para processamento intensivo.
• Computadores embutidos (embedded) são dispositivos integrados em outros equipamentos.
• Dispositivos móveis (PMDs) são dispositivos com bateria autônoma.

Servidores e Nuvem

• Os servidores estão a crescer, formando clusters para armazenamento de dados.
• A computação em nuvem usa servidores remotos para armazenar e processar dados.
• Saas (Software as a Service) é um modelo de software baseado na nuvem.

Arquitetura de Computadores

• A lei de Moore prevê o aumento da capacidade dos circuitos integrados a cada 18-24 meses.
• A lei de Moore ajuda projetistas a prever novas tecnologias.
• Abstração: camadas de abstração em programação escondem os detalhes de hardware.
• Paralelismo permite executar operações independentes simultaneamente.
• Antecipação é antecipar situações futuras.

Hierarquia de Memórias

• Existem memórias rápidas e caras com pequena capacidade e memórias mais baratas e lentas com maior capacidade.
• Os componentes de computadores são tolerantes a falhas usando redundância em cada nível.

Camadas de Aplicações

• Descreve o processo de traduzir linguagens de alto nível (como C, C++) em linguagem de máquina (Assembly, código de máquina).
• O compilador traduz linguagens de alto nível para código de máquina.
• O assemblador converte o código Assembly para o código de máquina.
• As partes de um computador são Entrada, Saída, Memória, Caminho de dados e Controle (CPU, processador).

Acesso a Memórias

• Memória Cache de acesso muito rápido acessando os dados dentro do processador.
• Acesso a memória aleatória (DRAM) usada para armazenar dados enquanto o computador está em uso.

Arquiteturas

• As arquiteturas CISC (Complex Instruction Set Computing) utilizam instruções mais complexas.
• As arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computing) utilizam instruções mais simples.
• As arquiteturas ARM são usadas em dispositivos móveis e tablets.

Desempenho Computacional

• Desempenho é medido pelo tempo de resposta (execução) ou largura de banda (capacidade de processamento de dados).
• Desempenho = 1 / tempo de execução.
• Tempo de CPU: tempo gasto pelo processador na execução de um programa.
• Ciclo de relógio: tempo mínimo para um operação básica no processador.
• Freqüência de relógio: inverso do ciclo de relógio (1 ciclo por segundo).

Tempo de CPU

• Tempo de CPU = número de ciclos de relógio * ciclo de relógio do programa.
• CPI (ciclos por instrução) = nº de ciclos de relógio necessários para completar uma instrução.
• Tempo de execução do programa = número de instruções * CPI / freqüência do relógio .

Fatores Indiretos

• Fatores que afetam o desempenho: Frequência de relógio do processador, a quantidade de instruções num programa, e o número médio de ciclos de relógio por instrução.

Barreiras de Energia

• Custo energético associado ao processamento de dados está associado com a frequência do relógio ou temperatura.
• A velocidade do processador e a temperatura influenciam as estratégias para projetos de computadores.
• A otimização (otimização de energia nos projetos de processadores) é importante para os componentes de hardware e software de computadores.

Melhoria de desempenho.

• A lei de Amdahl descreve o melhor desempenho que pode ser obtido no sistema.
• As instruções por segundo (IPS) estão relacionadas à frequência do relógio.
• O tempo de execução que é afetado por erros pode ser otimizado.

Máquinas de Estado Finito

• Modelam um sistema com um número finito de estados onde o estado seguinte depende do atual e de uma entrada.
• Diagramas de transição de estados representam mudanças de estados em um sistema.
• Estados são representados por círculos e as transições com linhas.
• Os estados iniciais e finais são representados por setas.

Formalismos Complexo para Computações

• Expressões regulares descrevem padrões de símbolos.
• Máquinas de pilha usam um dispositivo de memória (pilha) para armazenar resultados temporários.
• Gramáticas independentes de contexto descrevem padrões de símbolos.
• Máquinas de Turing têm memória de acesso aleatório, com mesma expressividade de computadores atuais.

Abstração e Comunicação entre Camadas

• Níveis de abstração organizam computadores, separadamente em dominios de software (aplicativos, linguagens de programação, bibliotecas, sistemas operativos) e digital (domínio do software; domínio digital).
• Abstrações (domínio analógico): abstração sobre o funcionamento eletrônico do computador (ex: tensão elétrica).

Domínio de Software

• Aplicações são programas projetados para usuários sem conhecimento técnico.
• Linguagens de programação: meios de expressar a lógica subjacente ao funcionamento da aplicação.
• Código fonte: descrição legível da aplicação.
• Bibliotecas e FrameWorks: componentes pré-escritos de programas que incluem funcionalidades comuns.
• Sistemas Operacionais: camada de software para comunicação entre as aplicações e os componentes do computador.

Arquitetura de Computadores

• Arquitetura do computador: descreve o funcionamento interno do hardware, incluindo componentes como processador, memória e dispositivos de entrada/saída.

Classificação de Hardware Paralelo

• SISD (single instruction, single data): processador único executa uma instrução em um dado.
• MIMD (multiple instruction, multiple data): vários processadores executam diferentes instruções em diferentes dados.
• SPMD (single program, multiple data): um programa é executado em vários processadores em diferentes dados.
• SIMD (single instruction, multiple data): um processador executa instruções em vários dados simultaneamente.

Multithreading por Hardware

• Técnica de otimizar uso do processador quando uma thread espera por outro recurso.
• Fine-grained multithreading: múltiplas threads mudam após cada instrução.
• Coarse-grained multithreading: troca de thread ocorre apenas quando há espera significante.
• O multithreading permite aumentar a utilização do processador, melhorando o desempenho do sistema.

Processadores Multicore e Memória Partilhada

• Memória partilhada é uma técnica usada em processadores multicore para compartilhar dados entre os diferentes núcleos.
• Arquitetura de memória unificada (UMA): todos os processadores compartilham a mesma memória física.

GPU

• A GPU (Unidade de Processamento Gráfico) é um coprocessador que funciona em conjunto com o processador central (CPU) para realizar cálculos mais complexos e intensivos.

Clusters e Computadores de Grande Escala

• Clusters são grupos de computadores interconectados trabalhando em conjunto para melhorar o desempenho global.
• Utilização de paralelismo é aplicada para melhorar o desempenho e a escalabilidade em sistemas distribuídos.
• Problemas relacionados com a escalabilidade, custos operativos e comunicação.

Modelos de Computação em Nuvem

• Modelos para sistemas computacionais distribuídos, onde os recursos estão disponíveis à distância.
• Usando SaaS, PaaS, IaaS.

Benchmarks

• Programas que testam o desempenho de hardware (processadores, componentes e sistema de armazenamento).
• Podem medir o desempenho de operações de ponto flutuante, aritmética, ou operações relacionadas a Memória.
• Resultado: uma indicação do desempenho dos componentes.

Administração de Sistemas

• Planejamento e projeto de redes ou sistemas de backup.
• Criar ou remover contas de usuário.
• Ajustar ou corrigir problemas de software.
• Instalando ou atualizando software principal e/ou essencial.
• Mantendo a segurança do sistema.
• Usuário root/superusuário permite executar comandos e funções com alta prioridade sem restrições no sistema operacional.
• Usando "sudo" para executar tarefas como superusuário/raiz.

Interfaces para administração

• Linha de comandos e interface gráfica para interagir com os comandos do sistema operacional do computador.
• As interfaces oferecem ferramentas de administração, como consulta, histórico e execução de comandos.

Comunicação com os usuários

• Implementar políticas de segurança e gestão de recursos.

Código de Ética

• Profissionalismo, Integridade, Privacidade, Atualizações de conhecimento e responsabilidade social.