Introdução ao Software Científico

Introdução ao Software Científico
Universidade Federal de Alagoas – UFAL Programa Multidisciplinar de Mestrado em Modelagem Computacional do Conhecimento Introdução ao Software Científico Arquitetura de Computadores Alexandre José Braga da Silva

Arquitetura de Computadores
Apresentação Um breve histórico Organização de Sistemas de Computadores Processamento e Armazenagem Estrutura de Dados Dinâmicos Hierarquia de Memória Memória Virtual Arquitetura de Memória e o Software Científico

Um breve Histórico Com o advento da computação surgiram centenas de projetos de computadores diferentes. A maioria já foi esquecida mas alguns tiveram um impacto significativo nos projetos mais modernos (Tanenbaum ,1992). Com base nesta evolução é possível definir gerações de computadores:

Um breve Histórico 1ª Geração – Válvulas ( ) Colossus e ENIAC (2ª Guerra Mundial) Máquina de von Neumann 2 ª Geração – Transistores ( ) TX-0 (MIT) PDP-1 (DEC) IBM 7090 e 7094 (início da computação científica)

Um breve Histórico 3ª Geração – Circuitos Integrados ( ) System/360 da IBM (Multiprogramação) PDP-11 (DEC) 4ª Geração – PCs e VLSI (1980-atualidade) Família INTEL e IBM PC-AT Família Motorola modelo 68000 Processadores de 32 e 64 bits Processadores para dispositivos móveis

Um breve Histórico Um computador pode ser visualizado como uma máquina de níveis (camadas). Níveis iniciais: 0 – Nível de Hardware 1 – Nível de Sistema Operacional Sistema Operacional  Interage com o hardware e com outros softwares simplificando a interação com o usuário da máquina.

Um breve Histórico Aplicações A maioria dos computadores de hoje possui uma estrutura básica de camadas, podendo ter um número maior ou menor delas. Utilitários Sist. Operacional Ling. de Máquina Microprogramação Circuitos Eletrônicos Fig.1 – Máquina de níveis Fonte: Machado e Maia, 1992

Organização de Sistemas de Computadores A arquitetura básica de um computador contém pelo menos os seguintes componentes interconectados: Processador (CPU) Memórias (Volátil e não volátil) Dispositivos de Entrada/Saída (barramentos de I/O)

Organização de Sistemas de Computadores Unidade de Controle Unidade Lógica e Aritmética (ALU) Dispositivos de E/S Memória Principal Disco Outros Dispositivos Registradores Fig.2 – Arquitetura simplificada de um computador Fonte: Tanenbaum ,1992

Organização de Sistemas de Computadores Fig.3 – Arquitetura mais detalhada de um computador Fonte: Oliveira e Stewart ,2006

Processamento e Armazenagem Um processador é um circuito elétrico contendo milhões de transistores (chaves que realizam operações lógicas do tipo AND, OR, NOT) Contador de Programa  Registrador usado para percorrer o programa em execução.

Processamento e Armazenagem Memória – Armazena programas e dados. Pilha – Armazena dados na memória. Ponteiro de Pilha – Indica o topo da pilha. Registradores – Acessam a memória e o barramento de dados Inteiros, ponteiros e números de ponto flutuante em registradores e grandes objetos como estruturas em pilhas.

Processamento e Armazenagem Pilhas (LIFO)  Estruturas básicas de dados P1: 1 2 1 32 1 4321 5432 1 65432 76543 87654 98765 P2: P3: P4: P5: Tempo  Fig.4 – Pilha de dados em função do tempo. Fonte: Tanenbaum, 1992

Processamento e Armazenagem Bit  Unidade básica de memória (0,1) Considere o número 1944 em decimal e binário puro, com 16 bits em cada um. Decimal: 0001 1001 0100 0100 Binário: Byte  Grupo de 8 bits  23=8 Em 1Byte  28=256 combinações até

Estrutura de dados dinâmicos Possuem inserção (i) e remoção (r) de elementos. Estruturas de dados dinâmicos mais comuns: Pilhas  lista linear com i e r em apenas um extremo Filas  lista linear com i e r nos extremos opostos Árvores  conjunto finito de elementos disjuntos onde cada Ai é uma árvore

Estrutura de dados dinâmicos Árvores binárias admitem operações de: Busca, mínimo, máximo, predecessor e sucessor Exemplos de árvore binária

Hierarquia de memória Classificação dos tipos de memória em função do seu desempenho Tamanho x velocidade de acesso - Custo por byte  - velocidade de acesso + custo por byte  + velocidade de acesso

Hierarquia de memória

Memória virtual Recurso de hardware+software: Relocação  Assegura que cada processo tenha seu próprio endereçamento. Proteção  Impede que um processo use memória que não lhe pertence Paginação  Permite a aplicação usar mais memória do que realmente existe.

Memória virtual Dois tipos principais: Paginação  memória física é dividida em blocos de bytes contíguos chamados page frames de 4Kb (32 e 64 bits) ou 8 Kb (RISC). O espaço de memória de um processo é dividido em páginas que são fisicamente armazenadas nas molduras e possuem o mesmo tamanho destas. Windows  Até 4Gb (até 16 arquivos de paginação com 4.095Mb) Linux  Até 4Gb de memória virtual (1.024 Mb para o kernel e 3Gb para os programas)

Memória virtual Dois tipos principais: Segmentação  Vários espaços de endereçamento para cada aplicação. Segmento = par ordenado (onde o deslocamento é a posição do byte dentro do segmento Aplicação vê: Mas na verdade temos: Outro programa Disco

Memória virtual Sistema Operacional Processador Memory Management Unit (MMU) Endereço virtual Tabelas de páginas

Arquitetura de Computadores e o Software Científico ?

Apenas uma curiosidade Um exemplo extremo de paralelismo: Para renderizar as belas cenas do filme Avatar, em uma fazenda de servidores, foram usados nada menos do que PCs, cada um com 2 processadores Xeon de 4 núcleos e 24 GB de RAM ( núcleos e mais de 102 TB de RAM).

Dúvidas? Críticas? Sugestões?
Obrigado a Todos! Dúvidas? Críticas? Sugestões? Alexandre José Braga da Silva

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