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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Presentation Transcript


Arquitetura de computadores

Arquitetura de computadores

Prof. Edivaldo Serafim

Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013

IFSP – Campus Capivari


Subsistema de mem ria

Subsistema de memória

27/03/2013


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


Arquitetura de computadores

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


Arquitetura de computadores

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Arquitetura de computadores

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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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Arquitetura de computadores

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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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