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 Alex.professor@gmail.com

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

Arquitetura de Computadores 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:

Arquitetura de Computadores Um breve Histórico 1ª Geração – Válvulas (1945-1955) Colossus e ENIAC (2ª Guerra Mundial) Máquina de von Neumann 2 ª Geração – Transistores (1955-1965) TX-0 (MIT) PDP-1 (DEC) IBM 7090 e 7094 (início da computação científica)

Arquitetura de Computadores Um breve Histórico 3ª Geração – Circuitos Integrados (1955-1980) 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

Arquitetura de Computadores 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.

Arquitetura de Computadores 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

Arquitetura de Computadores 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)

Arquitetura de Computadores 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

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

Arquitetura de Computadores 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.

Arquitetura de Computadores 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.

Arquitetura de Computadores 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: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tempo  Fig.4 – Pilha de dados em função do tempo. Fonte: Tanenbaum, 1992

Arquitetura de Computadores 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: 0000011110011000 Byte  Grupo de 8 bits  23=8 Em 1Byte  28=256 combinações 00000000 até 11111111

Arquitetura de Computadores 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

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

Arquitetura de Computadores 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

Arquitetura de Computadores Hierarquia de memória

Arquitetura de Computadores 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.

Arquitetura de Computadores 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)

Arquitetura de Computadores 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

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

Arquitetura de Computadores Arquitetura de Computadores e o Software Científico ?

Arquitetura de Computadores 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 4.352 PCs, cada um com 2 processadores Xeon de 4 núcleos e 24 GB de RAM (34.816 núcleos e mais de 102 TB de RAM).

Dúvidas? Críticas? Sugestões? Obrigado a Todos! Dúvidas? Críticas? Sugestões? Alexandre José Braga da Silva Alex.professor@gmail.com