Arquitetura de Computadores -...
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Professor:
Vilson Heck Junior
(Material: Prof. Douglas Juliani)
Arquitetura de Computadores
Agenda
• Conceitos importantes
• Hierarquia de memória
• Tipos de memória
• Características
3 Org. e Arq. de Computadores
ARMAZENAR(ESCRITA,
WRITE) RECUPERAR(LEITURA,
READ)
Memórias – visão geral
4 Org. e Arq. de Computadores
• Elemento a ser manipulado : bit (armazena a informação na forma de bits)
• Unidade de informação a ser armazenada, recuperada ou transferida (célula) - Grupo de n bits (n = 8) 1 Byte
• ENDEREÇO: é o código de identificação da localização das células (informações).
Operações:
• ESCRITA: transferência de informações de outro componente do sistema de computação para a memória (CPU memória)
• LEITURA: transferência de bits da memória para a CPU, disco.
Memórias – visão geral
5 Org. e Arq. de Computadores
• Em um sistema de computação não é possível construir e utilizar apenas um tipo de memória.
• Para certas atividades, por exemplo, é fundamental que a transferência de informações seja a mais rápida possível.
• Outras atividades é preferido que os dados sejam armazenados por períodos mais longos.
• Memória de um computador subsistema - construída de vários componentes (vários tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar informações.
Memórias – visão geral
6 Org. e Arq. de Computadores
Memória ConceitosImportantes
7 Org. e Arq. de Computadores
Tempo de acesso
• Indica quanto tempo a memória gasta para colocar uma informação no barramento de dados após uma determinada posição ter sido endereçada.
• É um dos parâmetros que pode medir o desempenho da memória.
• Também chamado de latência, se mede em números de clocknecessários.
• Denominação: tempo de acesso para leitura (ou tempo de leitura).
Memória ConceitosImportantes
8 Org. e Arq. de Computadores
Tempo de acesso
• Dependente do modo como o sistema de memória é construído e da velocidade dos seus circuitos.
• Memórias eletrônicas - igual, independentemente da distância física entre o local de um acesso e o local do próximo acesso - acesso aleatório (direto).
• Dispositivos eletromecânicos (discos, fitas, ..) - tempo de acesso varia conforme a distância física entre dois acessos consecutivos - acesso seqüencial.
Memória ConceitosImportantes
9 Org. e Arq. de Computadores
Memória ConceitosImportantes
10 Org. e Arq. de Computadores
Capacidade
• Quantidade de informação que pode ser armazenada em uma memória;
• Unidade de medida mais comum - byte, podem ser usadas outras unidades como células (no caso de memória principal ou cache), setores (no caso de discos) e bits (no caso de registradores).
• Dependendo do tamanho da memória, isto é, de sua capacidade, indica-se o valor numérico total de elementos de forma simplificada, através da inclusão de K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera).
Memória ConceitosImportantes
11 Org. e Arq. de Computadores
Memória ConceitosImportantes
12 Org. e Arq. de Computadores
Volatilidade
• Memórias podem ser do tipo volátil ou não volátil.
• Memória não volátil - retém a informação armazenada quando a energia elétrica é desligada. Ex.: Discos, Fitas.
• Memória volátil - perde a informação armazenada na ausência de energia elétrica. Ex.: Registradores, Memória Principal.
• É possível manter a energia em uma memória originalmente não volátil - uso de baterias.
Memória ConceitosImportantes
13 Org. e Arq. de Computadores
Memória ConceitosImportantes
14 Org. e Arq. de Computadores
Tecnologias de fabricação
Memórias de semicondutores
Memórias de meio magnético
Memórias de meio óptico
Memória Tecnologias de Fabricação
15 Org. e Arq. de Computadores
Memórias de semicondutores
Dispositivos fabricados com circuitos eletrônicos e baseados
em semicondutores.
Rápidas e relativamente caras, se comparadas com outros
tipos.
Há várias tecnologias específicas, cada uma com suas
vantagens, desvantagens, velocidade, custo, etc..
Exemplos: Registradores, Memória Principal, Memória Cache e
SSD.
Memória Tecnologias de Fabricação
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• Classificação de Memórias Semicondutoras
RAM
L/E - Leitura/Escrita
(R/W - Read/Write)
ROM (Somente Leitura)
(Read Only Memory)
SRAM
DRAM
FPM DRAM
EDO DRAM
BEDO RAM
SDRAM
RDRAM
ROM
PROM
EPROM
EEPROM
Memória Tecnologias de Fabricação
17 Org. e Arq. de Computadores
Memória R/W - Read and Write
• Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório e volátil.
• Pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM).
– SRAM - uso de circuitos transistorizados (flip-flops) mantém a informação enquanto estiver energizada, muito rápidas (~ns), usadas tipicamente como memórias cache.
– DRAM - uso de capacitores (1 transistor e 1 capacitor por bit, não usa flip-flops), necessita de refresh, alta capacidade de armazenamento (> densidade), mais lentas, usadas tipicamente como memória principal. Evolução: FPM DRAM (Fast Page Mode) assíncrona e mais antiga, EDO DRAM (Extended Data Output), também assíncrona, SDRAM (memórias Síncronas), etc.
Memória Tecnologias de Fabricação
18 Org. e Arq. de Computadores
Flip-Flop S-R
(SRAM)
Esquema 1 Transistor
e 1 Capacitor
(DRAM)
Memória
bit
wordMOSFET
Tecnologias de Fabricação
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Memória R/W - Read and Write
DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM)
• É uma memória SDRAM muito mais avançada e que consegue trabalhar com o dobro do desempenho. Pode-se encontrá-la, a partir das placas-mãe equipadas com o processador AMD K7.– DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5...
RDRAM (Rambus DRAM)
• Baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramento proprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muito diferente das demais pois, permite a leitura e escrita de até 16 dados simultaneamente por circuito. Utilizadas, principalmente, em algumas máquinas de jogos e em aplicações gráficas muito intensivas.
Tecnologias de Fabricação
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ROM - Read Only Memory
• Memória apenas de leitura. Uma vez gravada não pode mais ser alterada. De acesso aleatório, não é volátil.
• Mais lenta que a R/W e mais barata.
• Pode ser programada por máscara ("mask programmed“-MROM) em fábrica. Devido ao alto custo da máscara somente se torna econômica em grandes quantidades.
MROM- O firmware era gravado durante a fabricação do circuito, com
o auxílio de um filme fotográfico - máscara. As máscaras apresentam
o inconveniente de serem caras e não permitem regravação.
Tecnologias de Fabricação
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ROM - Read Only Memory
• Utilizada geralmente para gravar programas que não se deseja permitir que o usuário possa alterar ou apagar (Ex.: o BIOS -Basic Input Output System e Microprogramas de Memórias de Controle).
• Outros tipos: PROM, EPROM, EEPROM e Flash.
Tecnologias de Fabricação
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PROM - Programmable Read Only Memory
• Memória apenas de leitura, programável.
• ROM programável com máquinas adequadas (chamadas queimadores de PROM).
• Geralmente é comprada "virgem" (sem nada gravado), sendo muito utilizada no processo de testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas.
• Uma vez programada (em fábrica ou não), não pode mais ser alterada.
Tecnologias de Fabricação
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EPROM - Erasable Programmable
Read Only Memory
• Memória apenas de leitura, programável (com queimadoresde PROM) e apagável (com máquinas adequadas, à base de raios ultra-violeta).
• Tem utilização semelhante à da PROM, para testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas, com a vantagem de poder ser apagada e reutilizada.
Tecnologias de Fabricação
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EEPROM (ou E2PROM) - Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory
• Memória apenas de leitura, programável e eletronicamente alterável. Também chamada EAROM (Electrically Alterable ROM).
• EPROM apagável - processo eletrônico, sob controle da UCP (equipamento e programas adequados), menor e mais rápida que a EPROM.
• Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos quais se deseja permitir a alteração, via modem (carga de novas versões de programas à distância ou possibilitar a reprogramação dinâmica de funções específicas de um programa, geralmente relativas ao hardware, p.ex., reconfiguração de teclado, programação de terminal, etc).
Tecnologias de Fabricação
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Flash
• Funcionamento similar ao da EEPROM – conteúdo total ou parcial da memória pode ser apagado normalmente por um processo de escrita.
• Apagadas e regravadas por blocos (o apagamento não pode ser efetuado ao nível de byte como na EEPROM), alta capacidade de armazenamento
• O termo flash foi imaginado devido à elevada velocidade de apagamento dessas memórias em comparação com as antigas EPROM e EEPROM.
• Ideal para várias aplicações portáteis (câmeras digitais, palmtop, assistentes digitais portáteis, aparelhos de música digital ou telefones celulares).
Tecnologias de Fabricação
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Memória CMOS - (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
• Tipo especial de memória para armazenamento das opções essenciais de configuração de inicialização quantidade de memória instalada, data, hora.
• Alimentação via bateria.
Tecnologias de Fabricação
27 Org. e Arq. de Computadores
Memórias de meio magnético
Fabricadas de modo a armazenar informações sob a forma de campos
magnéticos.
Devido à natureza eletromecânica de seus componentes e à tecnologia
de construção em comparação com memórias de semicondutores, esse
tipo é mais barato, permitindo armazenamento de grande quantidade de
informação.
Método de acesso às informações - seqüencial.
Exemplos: disquetes, discos rígidos e fitas magnéticas (de carretel ou de
cartucho).
Tecnologias de Fabricação
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Memórias de meio óptico
Dispositivos que utilizam um feixe de luz para “marcar” o valor (0 ou 1) de
cada dado em sua superfície.
Exemplos:
CD-ROM (leitura)
CD-RW (leitura e escrita)
Tecnologias de Fabricação
29 Org. e Arq. de Computadores
Memória ConceitosImportantes
30 Org. e Arq. de Computadores
Temporariedade
Indica o conceito de tempo de permanência da
informação em um dado tipo de memória.
Classificação:
Armazenamento “permanente”. Ex.: Discos,
disquetes.
Armazenamento transitório (temporário). Ex.:
registradores, memória cache, memória principal.
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Memória ConceitosImportantes
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Custo
Bastante variado em função de diversos fatores:
tecnologia de fabricação
ciclo de memória
quantidade de bits em um certo espaço físico, etc.
Uma boa unidade de medida de custo é o preço por
byte armazenado, em vez do custo total da memória em si.
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Memória ConceitosImportantes
Hierarquia de Memória
Memória
• A relação custo/desempenho caracteriza a hierarquia da memória, onde a memória mais rápida é a mais cara e consequentemente possuirá menor capacidade se comparada com as demais.
Conceitos
Hierarquia de memória
• A relação custo/desempenho caracteriza a hierarquia da memória, onde a memória mais rápida é a mais cara e consequentemente possuirá menor capacidade se comparada com as demais.
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Hierarquia de Memória - Elementos
• Registradores
• Memória Cache
• Memória Principal
• Memória Secundária
Tipos de memória
1. REGISTRADORES:
• A memória mais veloz e mais cara do sistema, são internos a CPU e possuem capacidade de armazenamento de 64 x 64 bits em CPU de 64bits e assim respectivamente.;
• Feitos do mesmo material do processador, trabalham na mesma velocidade.
• Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 1 a 5 ns)
• Capacidade - baixa (Ex.: 8 a 64 bits)
• Volatilidade - dispositivos voláteis.
• Tecnologia - memória de semicondutores
• Temporariedade - armazenamento temporário.
• Custo - mais elevado.
Tipos de memória
* São medidas conforme a sua latência e dividem-se em alguns casos em L1, L2 e L3;* são dispositivos de armazenamento que seguem uma hierarquia de tamanho, velocidade e custo. Todas são voláteis.* Atualmente existem no mercado memórias cache por volta de 8 MB.
Podem existir cache só para instruções e só para dados.
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Memória Cache
• Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis: Cache L1 (Level 1) -nível 1), Cache L2 e Cache L3.
• Cache L1 (primária) - interna ao processador.
• Cache L2 (secundária) - instalada antigamente na placa-mãe do computador. Atualmente: localizada no interior da pastilha do processador, mas separada deste (cache backside).
• Cache L3 – Existente em alguns processadores, localizada externamente ao processador (mas acompanha ele).
• Quanto mais próxima do processador, melhor será o desempenho do mesmo.
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Memória Cache - Parâmetros
• Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 5 a 7 ns).
• Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de uma apreciável capacidade com a não-elevação demasiada de seu preço. Ex.: 16K a 8 MB.
• Volatilidade - dispositivos voláteis.
• Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em geral, são memórias RAM estáticas (SRAM).
• Temporariedade - armazenamento temporário.
• Custo - o custo de fabricação das memórias cache é alto. Memórias
cache internas à CPU ainda são mais caras do que as externas.
Tipos de memória
3. MEMÓRIA PRINCIPAL:
* Possuem latência de dezenas a centenas de ciclos do processador.
* Seu espaço de armazenamento varia de Poucos Gbs (PCs) a centenas de Gigabytes (servidores).
Tipos de memória
3. MEMÓRIA PRINCIPAL:
Também conhecia como memória primária
É o dispositivo no qual o programa (e seus dados) que vai ser executado é armazenado para que a CPU "busque" instrução por instrução.
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Memória Principal - Parâmetros
• Temporariedade - variável, depende de várias circunstâncias (p. ex.: tamanho do programa e sua duração, a quantidade de programas que estão sendo processados juntos, etc.). A transitoriedade com que as informações permanecem armazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que na memória cache ou nos registradores.
• Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das memórias cache - são vendidos computadores com quantidade apreciável de MP (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB, 4 GB, 6 GB, 8 GB) sem que o preço seja inaceitável.
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Memória Principal - Parâmetros
• Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 7 a 15 ns).
• Capacidade - na ordem de até 4 Gbytes
• Volatilidade - volátil. Há normalmente uma pequena quantidade de memória não volátil fazendo parte da memória principal (contém o BIOS).
• Tecnologia - em sistemas atuais esta tecnologia produz memória com elementos dinâmicos (DRAM).
Tipos de memória
5. MEMÓRIA SECUNDÁRIA:
* Ou armazenamento secundário. É a memória mais barata, com mais espaço e comum nos computadores .
* São as mais lentas unidades de armazenamento de um sistema computacional.
EX: CD, DVD, Disco Rígido, Pen Drive, etc.
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Memória Secundária - Parâmetros
• Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral, dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramente eletrônicos - possuem tempo de acesso maiores. Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 15 ms. Discos do tipo CD-ROM: 120 a 300 ms, fitas magnéticas -ordem de segundos.
• Capacidade - varia bastante dependendo do tipo de dispositivo utilizado. Discos rígidos - entre 60GB e 2 TB, CD-ROM - ordem de 650 MB, fitas magnéticas (a capacidade depende do comprimento da fita e da densidade de gravação).
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Memória Secundária - Parâmetros
• Volatilidade - não voláteis.
• Tecnologia - este parâmetro possui uma variedade imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo entre os já mencionados (discos rígidos, disquetes, fitas, CD-ROM, CD R/W, DVD, etc.), há diferentes tecnologias de fabricação.
• Temporariedade - armazenamento com caráter permanente ou, pelo menos, de longo período de armazenamento.
• Custo - bastante variado.
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Tipos de Memória em uso nos computadores
Processador
(Cache L1 e Registradores)
Cache L2 (separado)
Memória principal
Memória secundária
Relembrando…
A HIERARQUIA DA MEMÓRIA ESTÁ BASEADA NAS SEGUINTES CARACTERÍSTICAS:
1. CUSTO
2. TAMANHO
3. VELOCIDADE
Obs: Quanto maior for a velocidade, maior o custo e consequentemente menor o tamanho.
Tipos de memória:
Memória Principal
•Cada posição da memória principal tem um endereço único
•Geralmente é combinada com uma memóriaCACHE menor e mais veloz
- A Cache geralmente não é visível aousuário- É usada para melhorar o desempenho
Memória Principal
•A memória principal é organizada como um conjunto de células(ou posições) capazes de armazenar, cada uma, 8 bits (1 byte);
•Existe 1 endereço para cada célula de memória, portanto, a célula é a menor unidadede memória endereçável;
Endereçamento
Memória Principal
• Bytes são agrupados em PALAVRAS;
• A maioria das instruções opera sobre palavras;
• Registradores da CPU geralmente são do tamanho de uma palavra:
•32 bits = 4 células;•64 bits = 8 células;
Endereçamento
Tipos de memória:
Memória Cache
•O aperfeiçoamento das memórias centrou-se no aumento da sua capacidade de armazenamento;
•O aperfeiçoamento das CPU's centrou-se no seu desempenho;
•A memória principal tem grande capacidade de armazenamento porém seu acesso é lento e pode se tornar um "gargalo" para a CPU, que deve esperar muito para receber os dados da memória;
Evolução
Memória Cache
•É possível projetar uma memória com velocidade compatível com a CPU?•Sim, mas é muito caro!
•Seria possível embutir a memória no chip daCPU e reduzir o uso do barramento?•Sim, mas existem restrições ao tamanhodo chip!
Soluções
Memória Cache
• Memória Cache;•Memória rápida, porém cara e de menor capacidade;• Contudo, associada à memória principal (barata e de grande capacidade), resulta num sistema:• razoavelmente barato;• razoavelmente rápido;•de grande capacidade e armazenamento;
A melhorsolução
Memória Cache
• Na Cache são mantidas as palavras mais usadas pelo processador
• Se a maior parte dos acessos for resolvida pela Cache, o tempo médio de acesso será próximo do tempo de acesso ao Cache, que é pequeno.
Funcionamento
Memória Cache - tipos
Tipos de memória:
Memória Secundária
•Memória de grande capacidade (dezenas, centenas e milhares de Gigabytes);•Armazenamento massivo;•Implementada em meio magnético (hard disk, fitas magnéticas) ou óptico (CD-ROM, DVD-ROM).•Armazena programas e dados não processados correntemente, mas que poderão eventualmente ser utilizados (freqüência de acesso pequena).
Memória Secundária
•Memória lenta e barata;•Tempo de acesso da ordem de milissegundos;•Pode também ser utilizada para emular memória principal;•Isso aumenta o espaço de endereçamento disponível através de técnicas de memória virtual;
Memória Secundária
•Constituído de um prato circular de metal ou de plástico, coberto com um material que pode ser magnetizado•Os dados são gravados e posteriormente lidos por meio de uma bobina chamada cabeçote•Durante a leitura o cabeçote permanece estático, enquanto o disco gira embaixo dele•Durante a escrita ele emite pulsos magnéticos que gravam os dados no disco
Disco Magnético
Memória Secundária
•Os dados são organizados no disco em forma de círculos concêntricos chamados de trilha•Cada trilha tem a mesma largura do cabeçote
Disco Magnético
Discos Rígidos – visão geral
1 - Prato, midia ou platter - aonde os dados são gravados.
2 - Atuador - parte mecânica responsável pelo posicionamento
das cabeças de leitura e gravação.
3 - Componentes internos de controle do atuador, ligados a
placa controladora lógica externa.
4 - Cabeças de leitura e gravação ou magnetic heads -
conectadas ao atuador, responsaveis pela leitura e
gravação de dados na mídia.
5 e 6 - Hard Disk Assembly superfície aonde são montados os
componentes de um hard disk.
7 - Placa controladora lógica ou logic board - responsável pela
inicialização, controle mecânico e envio de dados do hard
disk para o computador.
8 - Conectores externos padrão IDE - conexão por onde são
enviados os dados para a placa-mãe e consequentemente
ao processador.
Memória Secundária Disco Magnético
Memória Secundária
•Lados– Único – Só um lado é magnetizável– Móvel – Os dois lados são magnetizáveis•Pratos– Únicos– Múltiplos
Disco Magnético
Memória Secundária
•Desenvolvida a partir de 1983;•Surgiu com o CD;•Era destinado apenas para o armazenamento de áudio digital;•Com o tempo o CD-ROM passou a armazenar dados;•Evoluiu para DVD e Blu-ray, inicialmente propostos para armazenar vídeo de alta qualidade;
MemóriaÓptica
Memória Secundária
•O disco é constituído de uma resina de policarbonato;
•É depois revestida com uma superfície com alto índice de reflexão:
– Geralmente alumínio;
• A informação digital é registrada na superfície reflexiva como uma serie de sulcos microscópicos;
MemóriaÓptica
Memória Secundária
• A gravação é feita com um laser de alta intensidade muito bem focado (“queimar o disco”);
• Estas “queimaduras” criam sulcos e a superfície sulcada é protegida contra pó e arranhões;
MemóriaÓptica
Memória Secundária
•A leitura é feita com um laser de baixa potencia;•O feixe passa através da cobertura protetora enquanto o motor gira o disco;•Ao encontrar um sulco a intensidade da luz muda;•Essa mudança é detectada por um foto sensor e convertida num sinal digital;
MemóriaÓptica
Memória Secundária
•O disco regravável faz uma mudança de fase no dados
•Os novos dados são refletidos de uma forma diferente pela superfície refletora do disco
•O problema disso é o desgaste do disco
MemóriaÓptica