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Arquitetura de computadores

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Arquitetura de computadores. Prof. Edivaldo Serafim Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013 IFSP – Campus Capivari. Subsistema de memória. 27/03/2013. Memória de computadores.

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arquitetura de computadores

Arquitetura de computadores

Prof. Edivaldo Serafim

Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013

IFSP – Campus Capivari

mem ria de computadores
Memória de computadores
  • Nenhuma tecnologia de memória satisfaz de maneira ótima todos os requisitos de armazenamento de computadores;
  • Por isso existe uma hierarquia de subsistemas de memórias:
    • Algumas internas:
      • Acessadas diretamente pelo processador:
        • Memória RAM, memória cache, registradores;
    • Algumas externas:
      • Acessadas através de operações de I/O:
        • HD, Pen Drive, DVD, etc.;

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caracter sticas de sistemas de mem rias
Características de sistemas de memórias
  • As características mais importantes de memórias são:
    • Localização:
      • Indica se a memória é externa ou interna ao computador;
    • Capacidade:
      • Tamanho em bytes ou palavras;
    • Unidade de transferência:
      • Quantidade de dados transferidos em uma operação;
    • Método de acesso:
      • Forma de acessar um endereço de memória;
        • Sequencial, direto, aleatórioou associativo;
    • Desempenho:
      • Tempo de acesso e tempo de ciclo;

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caracter sticas de sistemas de mem rias1
Características de sistemas de memórias
  • Continuação...
    • Taxa de transferência:
      • Quantidade de bits por segundo que são transferidos do processador para a memória e vice-versa;
    • Tecnologia de fabricação:
      • Forma e material que as memórias são fabricadas:
        • Semicondutor, magnética, óticas;
    • Características físicas:
      • Determina a vivacidade dos dados armazenados:
        • Volátil ou não volátil;
    • Organização
      • Forma como os bits são organizados na memória.

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hierarquia de mem ria
Hierarquia de memória
  • Podemos resumir as restrições do projeto de memórias em três questões conflitantes:
    • Capacidade:
      • Programadores buscam uma memória infinita, ou seja, quanto maior melhor;
      • Isso não ocorre na prática, mas é o que se deseja;
    • Velocidade:
      • Memórias devem ser compatível com a velocidade do processador para que este não fique ocioso quando depender de um acesso à memória;
      • Como isso não ocorre na prática, outros meios de compensação são utilizados para resolver a discrepância de velocidade entre memória e processador, como o uso de memória cache;
    • Custo:
      • O custo deve ser compatível com o padrão de mercado para que o projeto seja viável.

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mem ria x processador
Memória X Processador

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*Hennessy& Patterson

hierarquia de mem ria1
Hierarquia de memória
  • O processador enxerga a memória do computador como uma única área de armazenamento, ou seja apenas um sistema de memória;
  • Na verdade existem vários níveis de memória em um computador;
  • Isso ocorre por conta das velocidades, do custo, tecnologia e local físico das memórias;

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vis o do processador para a mem ria
Visão do processador para a memória
  • Visão do processador para a memória:

CPU

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Bus

Memória

como a mem ria estruturada na realidade
Como a memória é estruturada na realidade

Registradores

Cache

Interior CPU

Distância daCPU e aumento

no tempo de acesso

Memórias ROM*

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RAM

HD, Discos óticos (CD, DVD), Fitas magnéticas, etc..

* Apenas velocidade

como a mem ria estruturada na realidade1
Como a memória é estruturada na realidade

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*Hennessy& Patterson

slide12

ULA – UC – UD – BF

Registradores

Interior da CPU

Cache L1

Cache L2

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Cache L3

Memória RAM

Armazenamento em massa (HD)

considera es sobre a hierarquia
Considerações sobre a hierarquia
  • Quanto mais alto o nível na hierarquia:
    • Mais rápida é a memória:
      • Tempo de acesso menor;
      • Frequência de acesso é maior;
    • Menor a capacidade de armazenamento:
      • Menos densa ou seja, menos bits por milímetro quadrado;
    • Maior o tamanho físico da memória:
      • Maior espaço físico para armazenar um bit;
      • Uso de transistores (que são componentes grandes) para armazenar bits;
    • Maior o custo:
      • Transistores são mais caros que capacitores.

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considera es sobre a hierarquia1
Considerações sobre a hierarquia
  • Quanto mais baixo o nível na hierarquia:
    • Mais lenta é a memória:
      • Tempo de acesso maior;
      • Frequência de acesso é menor;
    • Maior a capacidade de armazenamento:
      • Mais densa é a memória, ou seja, mais bits por milímetro quadrado;
    • Menor o tamanho físico da memória:
      • Menor espaço físico para armazenar um bit;
      • Uso de capacitores (que são componentes pequenos) para armazenar bits;
    • Menor o custo:
      • Capacitores são mais baratos que transistores.

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mem ria vol til e n o vol til
Memória volátil e não volátil
  • Em relação a permanência dos dados na memória, podemos classificar as memórias em:
    • Memória volátil:
      • Os dados se perdem com a ausência de alimentação elétrica;
      • Feita de capacitores ou transistores;
      • Armazena dados temporariamente.
    • Memória não volátil:
      • Os dados são permanentes mesmo sem alimentação elétrica;
      • Feita de capacitores (memória flash), discos magnéticos, fitas magnéticas, discos óticos;
      • Armazena dados permanentemente.

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mem ria vol til de acesso aleat rio
Memória volátil de acesso aleatório
  • Uma das características do sistema de memória é o método de acesso;
  • É a forma como são endereçados as posições de memória para armazenar e ler dados e instruções;
  • Em memórias de acesso aleatório os endereços de memória possuem um indicador único e podem ser acessados diretamente, bastando ser apontado seu endereço;
  • Os endereços são implementados em hardware.

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tecnologia de mem rias
Tecnologia de memórias
  • Memórias de semicondutor podem ser estáticas ou dinâmicas:
    • Memórias estáticas – SRAM:
      • Confeccionadas com transistores (geralmente 6 por bit);
      • Enquanto houver fornecimento de energia, seu estado permanece inalterado;
      • Não necessitam de refrescamento (Refresh);
      • Usada em registradores e memórias cache;
      • São maiores fisicamente, menos densas e mais caras, porém mais rápidas.
    • Memórias dinâmicas – DRAM:
      • Confeccionadas com capacitores;
      • Perdem o conteúdo rapidamente, necessitando periodicamente de realimentação (refrescamento ou Refresh);
      • Usada para memória principal ;
      • São maiores fisicamente, mais densas e mais baratas, porém mais lentas.

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tecnologia de mem rias1
Tecnologia de memórias

SRAM

DRAM

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mem ria somente leitura
Memória somente leitura
  • São memórias que são gravadas e os dados são permanentes, não podendo ser alterados ou regravados;
  • Suas aplicações são diversas, predominando o uso em firmwares;
  • Os dados são gravados no processo de fabricação;
  • Possuem basicamente dois tipos:
    • ROM (ou Máscara de ROM):
      • Gravada em fábrica;
      • Nunca pode ser alterado seu dado;
    • PROM:
      • Gravado pelo usuário, apenas uma vez;
      • Após gravado, não pode ser alterado seu dado.

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mem ria somente leitura1
Memória somente leitura
  • Exemplos de memórias ROM e PROM:

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mem ria principalmente de leitura
Memória principalmente de leitura
  • Indicada para dados que não são alterados com frequência, mas devem ser não voláteis;
  • São comercializadas em estado virgem e gravadas pelos usuários em laboratório;
  • Podem ser:
    • EPROM;
      • Memória programável e apagável em um processo ótico ultravioleta;
    • EEPROM;
      • Memória programável e apagável em um processo elétrico;
    • Flash;
      • Memória programável e apagável em um processo elétrico;
      • Pode ser regravada mais rapidamente que a EEPROM convencional;
      • Pode ser regravada mais vezes que a EEPROM convencional.

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mem ria principalmente de leitura1
Memória principalmente de leitura
  • Máquina de programar PROM:

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mem ria principalmente de leitura2
Memória principalmente de leitura
  • Exemplo de EPROM:

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mem ria principalmente de leitura3
Memória principalmente de leitura
  • Exemplo de EPROM:

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mem ria principalmente de leitura4
Memória principalmente de leitura
  • Exemplos de EPROM:

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mem ria principalmente de leitura5
Memória principalmente de leitura
  • Máquina de EEPROM

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organiza o de mem rias
Organização de memórias
  • Entende-se por organização de memória a forma como os bits são dispostos na memória para representar uma informação;
  • O elemento básico de uma memória de semicondutor é a célula de memória;
  • As propriedades dessas células são:
    • Possuem dois estados para representar valores binários 0 ou 1;
    • Um valor pode ser escrito em uma célula de memória;
    • Seu estado pode ser lido.
  • As células possuem geralmente 3 terminais:
    • Um terminal de seleção, para selecionar uma determinada célula;
    • Um terminal de controle, que indica se a operação é leitura ou gravação;
    • Um terminal para ler o estado da célula ou gravar um bit nela.
  • As células podem ser selecionadas individualmente para leitura ou escrita por meio de linhas e colunas;
  • As células podem ter um bit apenas ou k-1 bits;

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opera o de uma c lula
Operação de uma célula

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tecnologia de mem rias2
Tecnologia de memórias
  • Seleção de uma célula de memória:
    • Seleção através de linhas e colunas.

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confiabilidade em mem ria
Confiabilidade em memória
  • Erros de memória podem ocorrer de várias formas, alterando assim o estado do bit; podemos ter os seguintes erros de memória:
    • Softerrorsou erros dinâmicos:
      • Detectados e corrigidos por errorcorrectingcodes(ECC)
    • Harderrorsou erros dinâmicos que danificam permanentemente uma ou mais células de memória
      • Usa linhas reservas para substituir as linhas defeituosas
      • Chipkill: uma técnica de recuperação de erro do tipo RAID, onde um chip danificado (killed) é substituído pelo uso de chips redundantes que constam do sistema.
    • Erros gerados por raios cósmicos:
      • A memória é suscetível a raios cósmicos, podendo destruir uma célula de memória.

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mem ria cache
MEMÓRIA CACHE
  • Processadores evoluíram em velocidade muito mais do que as memórias RAM;
  • Para equiparar a velocidade de acesso das memórias RAMs com as memórias de alto desempenho (registradores) faz-se uso de memórias cache;
  • Consistem em uma memória intermediária entre a CPU e a memória RAM;
  • Podem ter vários níveis (L1, L2 e L3) que podem ser unificados ou separados;
    • Uma para dados e instruções ou uma para dados e outra para instruções.

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Transferência

de palavras

Transferência

de blocos

Memória Principal

CPU

Memória Cache

mem ria cache do intel core i
Memória cache do Intel Core i

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mem ria cache do intel core i1
Memória cache do Intel Core i

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mem ria cache1
MEMÓRIA CACHE
  • Memória cache é sempre menos densa que a memória principal;
  • O conteúdo da memória cache é uma cópia de partes da memória principal;
  • Parte das informações que existem na memória principal pode estar em um determinado momento no cache, ou seja, uma cópia dos dados;
  • Quando essa cópia é transferida para a memória cache, transfere-se um bloco de palavras;
  • Quando o processador acha um dado na cache, ocorre um HIT;
  • Quando não acha ocorre um MISS.

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funcionamento da cache
Funcionamento da Cache
  • Em um processo de leitura na memória:
    • Quando o processador necessita de um dado ou instrução irá procurar inicialmente na memória cache;
    • Se encontrar (HIT), utiliza esse dado para o processamento;
    • Se não encontrar (MISS), irá solicitar ao controlador de memória que busque-o na memória principal;
    • O controlador irá pegar o dado ou instrução e irá colocar na memória cache, levando junto os dados em endereços vizinhos mais próximos;
    • O processador utilizará esse dado ou instrução.

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funcionamento da cache1
Funcionamento da Cache
  • Em um processo de leitura na memória:

IR = 1894

PC = 1024

End. Cont.

1020 – 1596

1021 – 4597

1022 – 5598

1023 – 2795

1024 – 1894

1025 – 2895

1026 – 5896

1027 – 2896

1028 – 3729

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PC 1024 está na Cache?

SIM!

O conteúdo de 1024 é

lido e gravado no IR

Transferência

de palavras

Transferência

de blocos

Memória Principal

CPU

Memória Cache

funcionamento da cache2
Funcionamento da Cache
  • Em um processo de leitura na memória:

IR = 3729

End. Cont.

729 – 5687

730 – 5688

731 – 2689

732 – 1690

733 – 2691

734 – 5692

735 – 2693

796 – 3694

797 – 4695

PC = 729

End. Cont.

1020 – 1596

1021 – 4597

1022 – 5598

1023 – 2795

1024 – 1894

1025 – 2895

1026 – 5896

1027 – 2896

1028 – 3729

End. Cont.

...

729 – 5687

730 – 5688

731 – 2689

732 – 1690

733 – 2691

734 – 5692

735 – 2693

796 – 3694

797 – 4695

...

PC 729 está na Cache?

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NÃO!

Cópia

É solicitado ao controladorpara buscar na memória

o endereço 729

Transferência

de palavras

Transferência

de blocos

Memória Principal

CPU

Memória Cache

Agora no cache, 729 será

lido e verificado a instrução

neste endereço de memória.

organiza o de cache
Organização de cache
  • A memória cache pode ser organizada de duas maneiras:
    • Interposta
      • Os dados sempre passarão antes na memória cache para depois ir para a CPU;
    • Direta
      • Os dados que não estão na cache vão diretamente a CPU, mas uma cópia ficará no cache.

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organiza o de cache interposta
Organização de cache interposta

CPU

Endereço

Endereço

Memória cache

Armazenamento

temporário de

endereços

Controle

Controle

Barramento do sistema

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Dados

Armazenamento

temporário

de dados

organiza o de cache modernas
Organização de cache modernas

Endereço

CPU

Armazenamento

temporário de

endereços

Memória cache

Controle

Controle

Barramento do sistema

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Armazenamento

temporário

de dados

Dados

estrutura da mem ria cache
Estrutura da memória cache
  • Em comparação com a memória principal, a memória cache posui:
    • Numero de linha:
      • Indica a linha que conterá um bloco;
    • Rótulo:
      • Indica o bloco de memória principal;
    • Bloco:
      • Contém as cópias dos dados e instruções da memória principal em alguns endereços.

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estrutura da mem ria cache1
Estrutura da memória cache

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localidades de cache
Localidades de cache
  • O principio da localidade garante a eficiência da hierarquia de memória:
    • Localidade temporal: referência repetida à mesma localidade:
      • Implementação de repetições (loops), sub-rotinas;
    • Localidade espacial: referência a endereços próximos:
      • Programas sequenciais, implementação de matrizes, vetores;

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elementos do projeto de cache
Elementos do projeto de cache
  • Os elementos de projeto de memórias cache pode ser:
    • Tamanho;
    • Função de mapeamento;
    • Algoritmo de substituição;
    • Política de escrita;
    • Tamanho da linha;
    • Número de memórias cache.

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