FUNDAMENTOS DA COMPUTAÇÃO Aula 3 – Parte 2

1. FUNDAMENTOS DA COMPUTAÇÃO Aula 3 – Parte 2 Instrutor.: Frank S. Fernandes Bastos (frank.bastos@gmail.com) Foco.: Adiquirir conhecimento preparatório para Concurso referente itens complementares sobre fundamentos Público.: Estudantes de concurso específico Local.: Sala de aula - Obcursos Número Slides.: 20 (incluindo este)

2. OBJETIVOS Adquirir conhecimentos complementares sobre os fundamentos relativo a arquitetura de computadores.

3. BALANCEAMENTO DE CARGA

4. PERSISTÊNCIA Sessão 1 Sessão 2 Sessão 3 Sessão 4 Cliente INTERNET

5. Formas de acesso ao Cache ■ Hit - dado encontrado no nível procurado. ■ Miss - dado não encontrado no nível procurado. ■ Hit-rate (ratio) - percentual de hits no nível. ■ Miss-rate (ratio) – percentual de misses no nível. É complementar ao hit-rate. ■ Hit-time – tempo de acesso ao nível incluindo tempo de ver se é hit ou miss. ■ Miss-penalty – tempo médio gasto para que o dado não encontrado no nível desejado seja transferido dos níveis mais baixos.

6. Formas de acesso ao Cache • ■ Cálculo do tempo médio (tme) efetivo de acesso a uma memória cache considerando: •  Hit-ratio = 80% •  Hit-time = 2 ns •  Miss-penalty = 10 ns • ■ Tme = hit-time + (1 – hit-rate) * miss-penalty

7. Problemas no acesso ao Cache • Como a cache só pode conter parte dos dados por causa de seu tamanho, tem-se dois problemas: •  Como identificar se o dado procurado está na cache; •  Se ele estiver na cache, como acessá-lo de forma rápida. • ■ A solução é fazer o mapaemento de endereços

8. Mapeamento do Cache • O termo mapeamento é usado para indicar o relacionamento dos dados do nível inferior com as posições da memória cache • ■ Existem três tipos de mapeamento.: •  Direto •  Associativo •  Conjuntivo associativo

9. Mapeamento direto • É a forma mais simples de mapeamento; •  Cada bloco na memória principal é mapeado em uma linha da cache; •  Este mapeamento é dado diretamente através de uma operação no endereço que se está procurando; • Exemplo: Para uma cache de 8 posições e uma memória de 32 endereços teríamos palavras de 4 bits. •  Cada posição da cache pode ter 4 posições da memória •  Os 3 bits menos significativos são usados para indexar os blocos (log2(8))

10. Mapeamento Direto

11. Mapeamento direto • Etapas do reconhecimento e recebimento do dato. • Identificação por rótulos, contidos nos bits que não estão sendo utilizados nos índices da cache, possui 2 bits já que dos 5 bits totais, 3 bits são usados para o índice. • Saber se o dado do bloco, realmente corresponde ao dado solicitado e também se ele existe. Nesse caso utiliza-se um bit de validade. • Se o bit for zero, não há necessidade de comparação de rotulos.

12. Mapeamento direto

13. Mapeamento associativo • Caracteriza-se por um bloco da memória principal poder ser colocado em qualquer posição da cache, ou seja, um bloco de memória pode ser associado a qualquer entrada da cache. •  Isso produz 100% de aproveitamento da cache; •  Consequentemente é preciso: • ➔ Pesquisar todas as entradas da cache para encontrar um determinado bloco, uma vez que tal bloco pode estar em qualquer lugar da cache. • ➔ Política de substituição, quando se tem falta (miss), a cache está cheia e é preciso tirar alguém.

14. Desvantagem do Mapeamento associativo A solução para tornar a pesquisa rápida, é fazê-la em paralelo com um comparador associado (hardware) a cada uma das entradas da cache.  Tais comparadores aumentam o custo de hardware, o que torna o mapeamento associativo idéal somente para pequenas caches, com capacidade para armazenar um pequeno número de blocos.

15. Mapeamento associativo Já a solução para substituição pode ser: ➔ Randômica: escolher aleatoriamente uma posição a ser substituída ➔ LFU (Least Frequent Used): a posição da cache que foi usada menos vezes será substituída. É preciso incrementa um contador a cada acesso e comparação para escolha; ➔ LRU (Least Recent Used): a posição da cache que foi usada a mais tempo será substituída. É preciso incrementar um contador a cada acesso e comparação para escolha.

16. Mapeamento associativo Já a solução para substituição pode ser: ➔ Randômica: escolher aleatoriamente uma posição a ser substituída ➔ LFU (Least Frequent Used): a posição da cache que foi usada menos vezes será substituída. É preciso incrementa um contador a cada acesso e comparação para escolha; ➔ LRU (Least Recent Used): a posição da cache que foi usada a mais tempo será substituída. É preciso incrementar um contador a cada acesso e comparação para escolha.

17. Mapeamento associativo O endereço é dividido em um rótulo (tag) que identifica a linha e o número do identificador do byte;

18. Passos do Mapeamento associativo 1. Alimentar a memória associativa com o tag procurado. 2. Se o tag procurado não está na cache acontece miss. Ir para 4. 3. Se acontece hit, acessar a memória cache com o índice fornecido e efeturar leitura. FIM. 4. Se não existir posição livre na cache, escolher um endereço para substituir (LRU). 5. Buscar o endereço procurado no nível mais baixo e colocar a posição livre (ou escolhida) da cache cadastrando essa posição e a tag na memória e efeturar leitura. FIM.

19. Mapeamento associativo • Vantagens • ➔ Melhor aproveitamento das posições da cache, pois depois de cheia se tem 100% de aproveitamento • ➔ Dados de controle não ficam na cache • Desvantangens • ➔ Memória associativa tem alto custo e tamanho limitado • ➔ Limita o número de linhas da cache • ➔ Necessita de política de substituição, que custa tempo e ainda pode-se escolher mal.

20. Mapeamento associativo conjuntivo • Meio termo entre mapeamento direto e associativo. •  Uma cache associativa conjuntiva é dividida em S conjuntos (set) de N blocos • ➔ Se S =1, mapaeamento associativo; • ➔ Se S =N, mapeamento direto •  Um endereço da memória principal pode ser mapeado para qualquer endereço no conjunto da cache. •  É preciso fazer procura dentro do conjunto. •  Também faz uso de política para substituição.

21. Passos para o mapeamento associativo conjuntivo 1. Calcular o módulo do endereço procurado pelo número de conjuntos S da cache. 2. Alimentar a memória associativa deste conjunto com o tag procurado. 3. Se o tag procurado não está na cache acontece miss. Ir para 5. 4. Se acontece hit, acessar a memória cache com o índice fornecido e efeturar leitura. FIM. 5. Se não existir posição livre na cache, escolher um endereço para substituir (LRU). 6. Buscar o endereço procurado no nível mais baixo e colocar a posição livre (ou escolhida) da cache cadastrando essa posição e a tag na memória e efeturar leitura. FIM.

22. mapeamento associativo conjuntivo •  Vantagens • ➔ Aumenta o tamanho da cache mantendo o tamanho da memória associativa • ➔ Bastante flexível • ➔ Usa a totalidade da área da cache para dados •  Desvantagens • ➔ Tem alto custo e tamanho limitado • ➔ Necessita de política de substituição • ➔ Tempo acesso maior devido ao cálculo • ➔ Dependendo da geração de endereços não se aproveita a totalidade das posições da cache

23. Técnica de transferência de I/O

24. Porque estudar I/O? •  O desempenho de CPUs aumenta de 50% a 100% por ano; •  O desempenho Supercomputadores com multiprocessadores aumenta 150% por ano; •  Já o desempenho de subsistemas de I/O é limitado por atrasos mecânicos; • ➔ Em média o crescimento é de 5% por ano (I/O por seg ou MB por seg); •  Na prática, o gargalo é I/O: • ➔ CPU estão ficando mais rápidas • ➔ Velocidade de CPUs está fazendo menos diferença

25. Porque estudar I/O? •  Hoje: • ➔ O poder de processamento dobra a cada 18 meses • ➔ Tamanho de memória dobra a cada 18 meses (?) • ➔ Capacidade de disco dobra a cada 18 meses • ➔ Velocidade de posicionamento dos discos (Seek + Rotate) dobra a cada 10 anos!

26. Tipos de barramentos  Arquitetura de barramento único  Arquitetura de barramento em dois níveis  Arquitetura de barramento hierarquica

27. Barramento único  Memória e dispositivos de I/O estão ligados a CPU atráves de um único barramento  Forma mais simples de interconexão  Barramento tem que acomodar dispositivos com características e velocidades bem diferentes e o desempenho da comunicação cai

28. Barramentos de dois níveis  O processador e a memória podem se comunicar atravé de um barramento principal;  Outros barramentos de I/O estão ligados ao barramento principal através de adaptadores, compondo um segundo nível na arquitetura de Barramentos;  Dessa forma, o barramento principal pode funcionar a uma velocidade maior já que os adaptadores se encarregam da comunicação com os barramentos de I/O mais lentos;

29. Barramento hierárquico  O processador e a memória se comunicam atravé de um barramento principal  Um barramento backplane concentra toda I/O do sistema e é ligado ao barramento principal (só um adaptador é ligado ao barramento principal)  Ao barramento backplane estão ligados diferentes barramentos de I/O através de adaptadores

30. Mapeamento de I/O • Mapeamento de I/O é o que faz um barramento é definir regras do que deve-se fazer para tranferir um bloco ou palavra. • ■ Duas formas: •  Memory mapped; •  portas de I/O

31. Mapeamento de I/O – Memory Mapped  Um único espaço de endereçamento  Destina-se um conjunto de endereços aos periféricos  Instruções à memória pode ser tanto memória quanto operações de I/O  O mapeamento em memória tem a vantagem de permitir uma maior proteção ao acesso direto a dispositivos, pois os endereços de I/O podem ser controlados pelo S.O.  Ex: processadores da Motorola

32. Mapeamento de I/O – portas de I/O  Dois espaços distintos de endereçamento  Entrada e saída acessadas por instruções específicas (IN, OUT)  Ex: Microprocessador da INTEL

33. Modos de transferência de I/O • ■ O que se deseja é: •  Rapidez na resposta a eventos criticos •  Não sobrecarga da CPU com atividades como acesso a disco e refresh de memória • ■ Três modos de implementar: •  Programado •  Interrupção •  DMA

34. I/O Programada •  É controlada pela CPU (registradores e instruções específicas) •  O processador pergunta para cada dispositivo se este está apto a receber ou transmitir uma unidade de informação e em caso afirmativo realiza a transferência; •  Existem dois tipos: • ➔ Bloqueado (busy way); • ➔ Polling (inquisição).

35. I/O Programada - Bloqueado • ■ Bloqueado (busy way) •  Uma vez iniciada a comunicação, a CPU fica ocupada (escrava) até o término da operação •  CPU é subutilizada, pois os periféricos são muito mais lentos que a CPU •  Ex: balança eletrônica

36. I/O Programada - Polling • ■ Polling •  A CPU periodicamente testa o conteúdo dos bits do(s) registrador(es) de estado existente(s) nos controladores de I/O •  Em cada controlador há registradores que indicam tranferência a ser realizada (status) •  No modo polling a CPU possui controle total, realizando todo o trabalho

37. I/O por interrupção •  Criada para solucionar o problema do tempo desperdiçado com múltiplos testes que é inerente do polling; •  Controladora é avisada pelo dispositivo que este está pronto para transmitir/receber dados; •  Principais características: • ➔ Assincronismo em relação a qualquer instrução, ocorrendo a qualquer instante • ➔ Na ocorrência de uma interrupção, a mesma é atendida após o término da instrução corrente. O teste de interrupção é feito depois da execução da instrução • ➔ Diferenciar interrupção de hardware de excessões • ➔ Dispositivos podem ter diferentes prioridades

38. I/O com utilização de DMA • ■ DMA (Transferência direta à memória) •  Na idéia de interrupção, a CPU é liberada da tarefa de aguardar por ocorrência de eventos de I/O, mas continua sendo o elemente ativo •  A solução é usar DMA. Dispositivo controlador é o responsável pela tranferência de dados, ficando a CPU livre para realizar outras • operações. •  Mecanismos de interrupção continuam sendo utilizados pelo controlador para comunicação com o processador, mas apenas no término de um evento de I/O ou na ocorrência de erros •  Durante a operação o controlador DMA se torna o mestre do barramento e controla a transferência I/O <-> memória

39. PROTOCOLOS – Parte 1 TCP -Transmission Control Protocol (Comunicação) FTP – File Transfer Protocol (Transferência de Arquivos) SMTP – Simple Mail Transport Protocol (Informações) LDAP - Lightweight Directory Access Protocol (Serviço de diretório) SNMP – Simple Network Management Protocol (Gerenciamento)

40. Domínios, Árvores e Florestas

41. Objetos e atributos • Domain – Contém um agrupamento de todos os demais objetos • Organizational Unit – Consiste em uma espécie de container • User – Objeto de usuário • Computer – Objeto de associação a computadores • Group – Representação gráfica de grupos de usuários, computadores e/ou árvores de replicação • Shared Folders – Associação à compartilhamentos de arquivos • Printer – Objeto relacionado à impressoras locais ou de rede.

42. Contato Frank S. F. Bastos E-MAIL.: Frank.bastos@gmail.com MSN.: frankbastos@hotmail.com Skype.: frankbastos