FUNDAMENTOS DA COMPUTAÇÃO
Aula 3 – Parte 2
Instrutor.:
Frank S. Fernandes Bastos ([email protected])
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)
OBJETIVOS
Adquirir conhecimentos complementares sobre os
fundamentos relativo a arquitetura de computadores.
BALANCEAMENTO DE CARGA
PERSISTÊNCIA
Sessão 1
Sessão 2
Sessão 3
Cliente INTERNET
Sessão 4
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.
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
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
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
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))
Mapeamento Direto
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.
Mapeamento direto
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.
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.
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.
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.
Mapeamento associativo
O endereço é dividido em um rótulo (tag) que identifica a linha e o número
do identificador do byte;
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.
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.
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.
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.
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
Técnica de transferência de I/O
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
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!
Tipos de barramentos
Arquitetura de barramento único
Arquitetura de barramento em dois níveis
Arquitetura de barramento hierarquica
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
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;
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
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
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
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
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
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).
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
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
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
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
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)
Domínios, Árvores e Florestas
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.
Contato
Frank S. F. Bastos
E-MAIL.: [email protected]
MSN.: [email protected]
Skype.: frankbastos