Componentes e Paradigmas Computacionais PDF

Componentes e Paradigmas Computacionais Tipos de computadores : computadores pessoais (pc)- normalmente inclui ,...

Componentes e Paradigmas Computacionais Tipos de computadores : computadores pessoais (pc)- normalmente inclui , ecrá teclado, Rato ~ Cálculo ( ) + intenso com IA Servidores e supercomputadores Computadores embebidos (embedded) Dispositivos móveis (PMD) ↳ bateria autonoma Servidores estão a crescer + clusters de servidores/centro de dados ↓ Computação em nuvem SaaS - software as a service IDEIAS DE ARQ DE COMP : Lei de Moore - circuitos integrados , componentes básicos de comput tadores , duplicam a sua capacidade a cada 18-24 meses ( ajuda arquitetos a prever novos chips quando estao a construir um novo computador ABSTRACÃO - > as várias camadas são abstraidas entre si ex n tem : um programador de saber sobre hardware Rapidez de casos comuns - investir nos casos (+ ) frequentes Paralelismo- efetuar operações independentes em paralelo ↳ de uso pipelines Antecipação - antecipar situacao futura do q esperar a aconteça  #caras (4) Rápidas (-) capacidade Hierarquia de memórias e baratas (+ ) (+ ) lentas it capacidade Confiaveis- tolerantes a Falhas redundancia nos componentes Camadas de Abstração das Aplicações > - Application Software Software > - Systems Sist operativos, compilador. > Hardware - Compilador - programa que traduz Linguagens de alto nivel como C, C++... em tarefas que o computador possa executar Assemblador e Assembly pl cód. maquina Computador : 1 - Entrada de dados , teclado (input) Rato : 2-Saída de dados (output) ecrã impressora, altifalante : , 3- Memória Caminho de Dados (datapath) /CPU , 4 processador - 5- Controlo Cache-acesso muito Rápido - Memória acesso mt frequente dentro do processador SRAM  ↓ cache Acesso Aleatório - Frequente (-a a ( rápita dRAM dados desta memória Ond se desliga o pa perde-se os & pl Guardar dados : discos rigidos , sod ete Memória volátil - n volátil secundária primária CPU-mecanismos de controlo e caminho de dados Entrada Dados Instrucões ↓ Controlo Caminho Control de Status Path Dados ↓ Saída Dados Arquiteturas PowerPo (Mac novos RISC- cisc * S Mac - ARM tablets (portateis , Hm ,  DESEMPENHO COMPUTACIONAL Medidas de Desempenho: > - Tempo de Resposta ou de execução de banda (bandwidth through put) > Largura o - ↳ at de trabalho realizada por um pc Desempenhou = 1/ Tempo de execução Tempo de CPU - usado na execuçã de um prog. ↳ do utilizador : usado a exectar intrucoes do prog ↳ do. sistema : usado a executar instruções do sistema operativo (invocadas pelo programa) Ciclo de Relógio-tempo mínimo de una operaçã básica no opu Frequência do Relógio-inverso do ciclo de Relógio mede-se em Hz ( = 1 ciclo por seg) 10 MHz 10 milhões de ciclos do Relógio = por segundo f  Tempo de CPU = No Ciclos de do Relógio X Ciclo de Relógio progra Tempo de CPU = NociclosdeRelógio/Frequência do pelo eo CPI (cycles instruction) per> no ciclos de Relógio necessários / completar uma instrução máquina ↳ ciclos por instructed Tempo de execução do _ Ninstruções do I Freq do Rele a programa Fatores chaves pl Desempenho : > Freq de relógio do processador -. > - Quantidade de instruções do programa médio de ciclos de Relógio por instrucao (CPI) = > N - Fatores Indiretos > - afetam os fatores - chave > Algoritmo - > Linguagem programação - > - Compilador > - Arquitectura do cryto de intruções  Barreira de Energia- freg do Relogia está diretamente rela- cionada necessária CPU funcionar el energia / Custo energético de processadores el mais relógio ( ) + temperatura faz e que se precise de alternativas Uniprocessadores/Mutiprocessadores E ↓ · garantir de tanefas distribuiç processadores cores de vários equivalente pelos cones Minimizar comunicad entre · cones Benchmark+ cnjto programas que representa utilização a comum de um computador servindo p/ medir desempenho e o vários compará-lo entre computadores SPEC (system performance Evaluation Cooperative ↳ benchmarks normalizadas pl sistemas de projecto p/criar modernos computadores SPECratio ↳ medida normalizada 12 benchmarks sobre n: que agrega inteiros Speciatio = tempo de execução Referencia Tempo execução médio  Lei de Amdahl ↳ Aumento determinada melhoria desempenho possível com uma sistema e limitada de dessa melhoria no sempre pelo grau uso Tmp melhoria execafetadopelamelhore execapósmp -- Fator multiplicativo Instruções por Frequência do Relógio Segundo CPI Ciclos = Frequência do Relógio (Hz) Tempo x (s) Instruções CP= Cido o dos Instruções MÁQUINAS DE ESTADO Maq de Estado finito : > - modelam um sistema com um no limitado de modos/estados Dependendo do como a máq está comporta-se de uma forma ou outra -Diagramas de transição de estados são uma boa forma de visualizar um sistema particular > Estados Representados - ou por : > - Estado inicial : Representado por (p/o au correspondente)  Transições, representado setas entre estados I > por - o Mudanças de Estado da Mag -Regras plativam uma transição são mostradas junto da respectiva Sete (estado inicial) OFF estados transições Regras "OFE pressed Bake-pressed ~ too-hot % OFF-pressed Heating-2-> Idling -2- too-cold Estados Finais ↳ algumas maq podem ter estados finais onde a maq pode parar quando chega aqui, terminou operação a Máquinas Deterministas ↳ partir de cada estado se aplica e uma so a uma regra a outro estado para chegar Máquinas Não-Deterministas ↳ transições que saem de um estado ambiguas pode-se aplicar mais que uma transicad ↳ podem sempre ser convertidas numa determinista  Formalismos mais complexos (computações não expressas / maq estado > - Expressões Regulares Representam padrões de : símbolos de Pilha : > Máq Maq de estado el dispositivo de memória (pilha - resultados que Guarda temporários > - Gramáticas independentes de contexto : Cristo deRegras que deter- de símbolos minam padrões > - Máquinas de Turing Na : de estado com memórias de acesso aleatório Tem. a mesma expressividade dos computadores atrais ABSTRAÇÃO E COMUNICAÇÃO ENTRE CAMADAS Níveis de Abstracao niveis/ computadores organizam-se em : camadas de abstração dominios , organizadas em () perto & + Aplicações Dominio do software abst dosalizadores · : pensa · Linguagens de programação que permitem manipular o Bibliotecas comautador sem entender · · Sistemas Operativos Os e Is Arquitetura & · · Componentes Domínio digital : abst Sobre. Circuitos integrados funcionamento do · it) perto organização e Portas computador d Lógicas computador info binária Os 1s · e Transistores Y Abstração Analógico : funciona V Domínio : sobre o funcional eletrónico do comp(níveis de tensão eléctrica) (Domínio do Software Aplicações: programasdecomputadordesenhadossere ma ka construídas com linguagens de programação Linguagens de Programação : expressam lógica subjacente a ao cada aplicação. funcionamento pretendido em ↳ a descrição da aplicação chama-se código-fonte · deve ser legível (readability ( · deve funcionar como uma "Receita" que o computador automaticamente executa > - existem diferentes níveis de abstraca : abstratas mais · Linguagens de alto nível são mais , afastadas de conceitos como circuitos e bits baixo nivel, tem · Linguagens de uma correspondência direta com as operações elementares do hardware quase ex : assembly , linguagens-máquina Bibliotecas e Frameworks : são partes de programas pré-feitos que ajudam o programador a incluir funcionalidades comuns sem ter de se preocupar com a implementacap. detalhes Permitem abstrair de certos  Bibliotecas : e usadas na estrutura do código que o programador definiu ; fluxo -Programador tem o controlo do do programa Frameworks : > - Estrutura definida ; o programador tem que preencher algumas areas com as funcionalidades específicas da aplicaca - controlam o fluxo através de uma estrutura pré-definida, que o programador tem de completar Sistemas Operativos (50) : camada de software que as aplicações e bibliotecas dependem para ↳comunicar com já incluem várias o computador aplicações editor básicas "prontas-a-usar ex : calculadora, , ete de texto núcleo do SO (Kernel) é escrito - numa linguagem · de baixo controlar diretamente hardware nível pl o · efetua funções importantes que o programador não tem de se preocupar : memória RAM - gestão - controlo tempo do programa no Chu - comunicaca com dispositivos input/ output (Domínio Digital ( Arquitetura é abstração do funcionamento a do computador : no seu nível mais elementar (neste dominio 1 ↳ O seu elemento (+ ) importante é conjunto de instruções o máquina ou as operações básicas que hardware o executa Arquitetura de 64 bits : processador pode escrever e ler informação da memória 64 bits de cada vez Componentes : o computador consiste em vários componentes integrados num único objecto. Todos tem CPU, memória, b dispositivos de entrada/saída. Organização do computador Componentes que : se interligam entre Si , mesmo que não sejam visíveis/percetiveis Circuito Integrado (chip) dispositivo : eletrónico que agrega milhões or biliões de unidades elétricas básicas e tem uma funcionalidade especifica. Ex : processador pode ser um chip memória podem ser vários chips (capacidade de memória é a soma das capacidades dos chips) > - O próprio chip tem um design com camadas de abstracao. várias unidades Designers juntam pequenas numa maior de tamanho médio e assim sucessival até atingirem a funcionalidade do circuito como um todo Portas Lógicas : concretizações eletrónicas de operações Lógicas/booleanas com valores verdadeiro/falso ou 0/1. Operações Lógicas : > - AND : Resultado verdadeiro (1) se ambas entradas 1 OR Resultado 1 entradas 1 pelo das > : se menos uma > - NOT : Resultado 1 se a (única) entrada for O - Qualquer computação é redutível a combinações de portas lógicas ) qualquer programa seja composto milhões biliões de por or portas (Domínio Analógico) Transistores : dispositivos eletrónicos básicos que constituem portas Lógicas os arcuitos ! as e ↳ integrados já não. operam no domínio dos bits mas sim dos valores de tensão elétrica, analógicos (contínuos , Físicos elétrica Interruptor controlado por uma corrente Se atensão de entrada ultrapassar o limite o interruptor fecha , se descer abaixo do limite fica aberto. São estes limites de tensão que determinam > - o zero e o um Ex : nos circuitos mais comuns (TTL) : abaixo de 0 , 4 volts : O acima de 2 , 6 volts : 1 Modelos de Aplicações Distribuídas : Apps podem centralizadas ser numa máquina ou · correr de forma distribuída em várias · Com os computadores ligados em Rede , as apps podem utilizar dados e funcionalidades localizados Noutro Sítio Modelo cliente-servidor * depende serviço computador cliente do MODELOS DE de um computador servidor DISTRI Modelo peer-to-peer Todos estão os computadores ao mesmo trocando nível , serviços e dados entre si Modelo Cliente - Servidor Servidor dados · : Sistema poderoso que guarda os ou a informação > - Cliente : máquina que permite aos utilizadores aceder à informação no servidor > - Cliente envia um pedido (request) ao servidor que devolve uma resposta > - Muitos clientes podem aceder a um servidor : tem capacidade pl todos os pedidos em tempo util Redes Peer-to-Peer > - Todos os computadores são pares (peers) funcionando , como clientes ou como servidores, consoante a necessidade -Cada computador é um no indiferenciado na Rede No Fornecedor regista os seus serviços num serviço centralizado de lookup e que os outros podem consultar No Requerente anuncia (broadcast) o pedido de serviço seu a todos os outros sendo o no fornecedor responde em conformidade -A distribuição é mais equitativa entre máquinas > - É mais sensível ao no de nós : demasiados/muito porcos nos podem ter impacto nível de da no desempenho ou disponibilidade da informacao.  PARALELISMO Multiprocessadory sistema computacional com pelo menos 2 processadores Paralelismo processo/tarefa nível do correm programas independentes ao e diferentes Forma de melhorar em processadores ; mais comum o desempenho Programa processamento paralelo de e programa único que corre Simultaneamente vários processadores Cluster e conjunto computadores ligados rede funcionam com um que em único grande multiprocessador Microprocessador multicore > - contém vários processadores/cores) num único circuito integrado. SMP processadores sistema memória partilhada- multiprocessador : com com um único espaço de endereço de memória Física Construção de Programas Paralelos L Tem ter atenção que se : em partição do programa em pedaços (threads) que possam correr · paralelamente divisão equitativa · da quantidade de trabalho pelos threads sincronização dos threads para · que os processadores não esperem um pelos outros minimização da comunica entre · os vários threads - Quantos mais processadores, maior o desafio Lei de Andahl obstáculo : pequenas partes do programa - mostra um mesmo devem ser paralelizadas pl vários maior partido dos cores  Hardware Paralelo Categorização de : SISD single instruction stream single data stream : , ↳ uniprocessador, sem paralelismo MIMD multiple instruction streams : multiple data stream multiprocessador ↳ um SPMD single program multiple data stream : , ↳ forma habitual de programar um NIMD ↳ construído um único programa e as ramificações atribuídas a processadores diferentes SIMD instruction stream data streams Single multiple : , ↳ mesma instrução é aplicada a várias streams de dados Vetor do SIMD ↳ intrepretaçã ↳ dados organizados num conjunto de registos sobre os quais de execução em pipeline. operam unidades ↳ Dentro das unidades de execução o , processamento sequencial é mas cada unidade corre em paralelo sobre os vários registos Multithreading por Hardware é otimizar execução dos threads · possível a num único processador Thread leve e processo ↳ partilha um mesmo espaço de endereçamento de memória Processo - inclui um ou mais threads ↳ tem de enderecamento um espaço próprio, bem como o estado do sistema operativo Moltithreading por Hardware ↳ forma de otimizar a utilização de um processador muda ploutra thread quando a presente está parada Fine-grained multithreading ↳ implica mudança de thread após cada instrucal Coarse-grained multithreading ↳ mudança de thread só quando há esperas significativas Processadores Multicore e Memória Partilhada Processador Processador Processad e I I.. I cace cace & Interconnection Network ↑ ↑ Memória 1/0 memória, torna - partilhar o espaço de o processo mais eficiente UMA s unified memory address ↳ latência de acesso memória é à a mesma , qualquer que realizar a seja o processador a operaçã NUMA-non-unified address memory ↳ tem o mesmo espaço de enderecamento , mas as memórias físicas vários' estão ligadas a processadores As latências diferentes ↳ podem ser física do endereço de memória consoante o processador e a localização em acesso Unidades de Processamento Gráfico (GPU) > - são aceleradores que complementam o cpu Não realizam todas as tarefas, mas são rápidas nas fazem > - que -Usam multithreading por hardware plotimizar o processamento Memória otimizada para de banda em vez de latência largura > - e epu tem muitos processadores paralelos (MIMD) de Grande escala Clusters e computadores (wSC) prático que acedam não é memória > - a partilhada porque acedem rede por paralelismo Fácil > - e alargado > - contabilização de custos operacionais oportunidades relacionados problemas com > - e a escala Modelos de Computação em Nuvem ↳ tira partido deste sistema de paralelismo Saas , Paas , I as  Benchmarks ↳ testam sistemas de hardware com tarefas programas que exigentes ↳ resultados dão indicação do desempenho dos processadores Modelos de Desempenho ↳desempenhode operações de virgula futa a se ↳ desempenho de memória INTRO ADMINISTRAÇÃO DE SISTEMAS O que faz um admin de sistemas : > - planear e desenhar redes > - planear e desenhar sistemas de backup criar contas de utilizador apagar > - e > - ajudar e resolver problemas dos utilizadores - instalar e atualizar pacotes de su (principal/ os essenciais) e zelar pela segurança do sistema Superutilizador ↳ conta tarefas privilegiada que permite ao admin realizar comando sudo 3 formas de acesso método : efetuar login conta admin root e aconselhado > - com ou e "Su Root" a partir da conta normal "sudo" pl executar tarefa superutilizador e usar como Estas tarefas podem ser realizadas em 2 tipos de interface : S ↳ Linha de comandos interface gráfica (GUI · maior versatilidade · mais Rápida e prática · menos Flexível Ferramentas de Administraca · Consulta de info de utilizadores/rede/ Recursos do sistema, históricos ou em tempo Real · Realização de tarefas de forma integrada · Podem assumir forma de GUI ou comandos/scripts Comunicação com Utilizadores os : e aplicar e reforçar políticas de segurança e de gestad de Recursos proporcionar condições plos utilizadores Realizarem o > - se trabalho Código de Ética : e profissionalismo > - integridade e privacidade -atualização de conhecimentos (educação e responsabilidade social