Arquitetura de Computadores2013.1Subsistemas de Memria (CAP. 5 ou 4)Faculdade Loureno FilhoREDES DE COMPUTADORESProf. Antonio Filho

TPICOSMEMRIAHIERARQUIA DE MEMRIAREGISTRADORESMEMRIA CACHEMEMRIA PRINCIPALESTRUTURA DA MEMRIA PRINCIPALCLULACAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPALMEMRIAS AUXILIARESEXERCCIOS

MEMRIAO que so memrias?

um componente de um sistema de computao cuja a funo armazenar as informaes que so (ou sero) manipuladas por esse sistema, para que elas (informaes) possam ser prontamente recuperadas, quando necessrio.

MEMRIATecnologias As primeiras tecnologias utilizadas em memrias foram as memrias de ncleos magnticos, hoje apenas uma curiosidade. As memrias modernas so compostas por circuitos semicondutores, com novas tecnologias sendo criadas a cada ano permitindo que grandes quantidades de clulas de memria sejam encapsuladas em pequenas pastilhas.

HIERARQUIA DE MEMRIA

A memria principal MP, no o nico dispositivo de armazenamento de um computador. Em funo de caractersticas como tempo de acesso, capacidade de armazenamento, custo, etc., podemos estabelecer uma hierarquia de dispositivos de armazenamento em computadores.

HIERARQUIA DE MEMRIA

HIERARQUIA DE MEMRIAA UCP (unidade central de processamento) v nesta ordem e acessa primeiro a que est mais prxima. Subindo na hierarquia, quanto mais prximo da UCP, maior velocidade, maior custo, porm menor capacidade de armazenamento.VELOCIDADECAPACIDADE

TipoCapacidadeVelocidadeCustoLocalizaoVolatilidadeRegistradorKBytesmuito alta muito altoUCPVoltilMemria CacheMbytesalta altoUCP/placaVoltilMemria PrincipalGbytesmdiamdioPlacaVoltilMemria AuxiliarTbytesbaixabaixoExternaNo Voltil

REGISTRADORES

Registradores so dispositivos de armazenamento temporrio, localizados na UCP, extremamente rpidos, com capacidade para apenas um dado (uma palavra).

Devido a sua tecnologia de construo e por estar localizado como parte da prpria pastilha ("chip") da UCP, muito caro.

Tempo de acesso Possuem o menor tempo de acesso de memria do sistema. 1 a 5ns Capacidade armazena um nico dado, uma nica instruo ou nico endereo ( de 8 a 64 bits cada) um dispositivo voltilDevido sua tecnologia avanada encontra-se no topo dos custos.REGISTRADORES -caractersticas

MEMRIA CACHE Com o desenvolvimento da tecnologia de construo da UCP, as velocidades foram ficando muito mais altas que as das memrias, que no tiveram a mesma evoluo de velocidade.

Desta forma, os tempos de acesso s memrias foram ficando insatisfatrios, e a UCP ao buscar um dado na memria precisa ficar esperando muitos ciclos at que a memria retorne o dado buscado ("wait states"), configurando um gargalo ("bottleneck") ao desempenho do sistema

Nveis da CacheCache de nvel 1 (L1) Geralmente dividida para instrues e dados Fica localizada no mesmo chip do processador Tamanho variando entre: 16 kB 64 kBCache de nvel 2 (L2) Fica num chip separado do processador, mas no mesmo encapsulamento Tamanho variando entre: 64 kB 2 MBCache de nvel 3 (L3) Fica localizada na placa me (em alguns computadores) Contm alguns MBytes Construda com tecnologia SRAM

Por esse motivo, desenvolveram-se outras arquiteturas de memria privilegiando a velocidade de acesso As Memrias Cache.

MEMRIA CACHEA arquitetura da memria cache muito diferente da arquitetura da memria principal e o acesso a ela muitas vezes mais rpido

(Por exemplo: 5 ns contra 70 ns).

No entanto

O custo de fabricao da memria cache muito maior que o da memria principal - MP.No econmico construir um computador somente com tecnologia de memria cache.

Criou-se ento um artifcio, incorporando-se ao computador uma pequena poro de memria cache, localizada entre a UCP e a MP.MEMRIA CACHE

Memria Cache - TecnologiaSRAM: memrias estticas Construda com Flip-flops tipo D Muito rpida, mas ocupa mais espao no chip do quea memria DRAM :DRAM: memrias dinmicas Valor armazenado como uma carga de capacitor bateria(deve ser refrescada) Ocupa pouco espao porm mais lenta do que amemria SRAM

Quando a UCP busca um determinado dado e o encontra na cache, d-se um "cache hit" .

Enquanto se o dado no estiver presente na cache ser necessrio requisitar o mesmo MP, acarretando atraso no processamento e d-se um "cache miss - falta" ou "cache fault perder tempo".

O ndice de cache hit ou taxa de acerto da cache geralmente acima de 99%. MEMRIA CACHE

Os processadores atuais usam controladores de cache bastante avanados, o que permite que os caches trabalhem com percentagens de acerto surpreendentemente boas considerando o tamanho.. MEMRIA CACHE

A memria cache formada por clulas de memria SRAM, que so tipicamente formadas por conjuntos de 6 transistores, onde 4 deles formam a estrutura que mantm o dado gravados e os outros dois controlam o acesso os valores de tenso.

Se voc pudesse olhar um chip de memria SRAM com um microscpio de eltrons, veria uma estrutura similar a essa: MEMRIA CACHE mais caras: necessrios 6 transistores para cada bit de dados e mais um grande nmero de trilhas e circuitos adicionais

Esta uma foto do ncleo de um Pentium III com seus 256 KB de cache L2 integrado, que so representados pelos 16 retngulos na parte inferior do processador. Voc pode notar que o cache L2 ocupa uma rea significativa do ncleo do processador, o que explica o fato de serem usados apenas 256 KB MEMRIA CACHE

Bom Exemplo core i7 - 975Core i7 , que usa 64 KB de cache L1 e 256 KB de cache L2 por ncleo e usa um grande cache L3 de 8 MB compartilhado entre todos. Dentro do processador, ele corresponde rea sombreada.

core i7 980X Com 12M de cache L3 e quatro ncleos virtuais a mais, de se esperar um ganho de desempenho significativo.

MEMRIA PRINCIPALMemria Principal a parte do computador onde programas e dados so armazenados para processamento.

A informao permanece na memria principal apenas enquanto for necessrio para seu emprego pela UCP, sendo ento a rea de MP ocupada pela informao pode ser liberada para ser posteriormente sobregravada por outra informao.

Quem controla a utilizao da memria principal o Sistema Operacional.

Tempo de acesso Possue velocidade de transferncia abaixo das memrias cache Atualmente possuem tempos de acesso entre 15 e 70ns.

Capacidade embora ainda oscilem na casa de MEGA, h no mercado MP da ordem de GBytes.

um dispositivo voltil de baixo custo.

MEMRIA PRINCIPAL

ESTRUTURA DA MEMRIA PRINCIPAL

A memria precisa ter uma organizao que permita ao computador guardar e recuperar informaes quando necessrio. No teria nenhum sentido armazenar informaes que no fosse possvel recuperar depois.

Portanto, no basta transferir informaes para a memria. preciso ter como encontrar essa informao mais tarde, quando ela for necessria, e para isso preciso haver um mecanismo que registre exatamente onde a informao foi armazenada.ESTRUTURA DA MEMRIA PRINCIPAL

Clula - a unidade de armazenamento da MP do computador. A memria principal organizada em clulas. Clula a menor unidade da memria que pode ser endereada

As memrias so compostas de um determinado nmero de clulas ou posies. Cada clula composta de um determinado nmero de bits. Todas as clulas de um dado computador tem o mesmo tamanho, isto , todas as clulas daquele computador tero o mesmo nmero de bits.

CLULA

Cada clula identificada por um endereo nico, pela qual referenciada pelo sistema e pelos programas.

As clulas so numeradas seqencialmente, uma a uma, de 0 a (N-1), chamado o endereo da clula. (N um inteiro positivo

Endereo o localizador da clula, que permite identificar univocamente uma clula. Assim, cada clula pode ser identificada pelo seu endereo.CLULA

A estrutura da memria principal um problema do projeto de hardware: - mais endereos com clulas menores ou -menos endereos com clulas maiores? O tamanho mais comum de clula era 8 bits (1 byte); hoje j so comuns clulas contendo vrios bytes.CLULANmero de bits para representar um endereo Expresso geral: MP com endereos de 0 a (N-1) N = 2x logo: x = log2 Nsendo x = n de bits para representar um endereo e N o nmero de endereos

CAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPALA memria principal RAM um conjunto de N clulas, cada uma armazena um valor com M bits. Ento, a quantidade de endereos contida no espao enderevel da RAM tambm igual a N, visto que cada contedo da clula est associado com um nmero que o seu endereo.

O valor N Representa a quantidade de endereos da memriaO valor M Indica a quantidades de bits que pode ser armazenado em cada clula. Logo temos 2M combinaes possveis

CAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPALT = N x M capacidade da memria

CAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPALA MP tendo endereos e sendo x =quantidades de bits dos nmeros que representa cada um dos N endereos ento:N=2XPor ex.: se N=512, ento 512=2X e x = 910 = 10012 O total de bits que podem ser armazenados na MP denominado T, sendo:T=N x M

CAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPAL

A capacidade da MP em bits igual ao produto do n de clulas pelo total de bits por clula. T = N x M; T = capacidade da memria em bits; N = n de endereos ( como vimos anteriormente); N=2x sendo x = n de bits do endereo; M = n de bits de cada clula;

Para encontrar a capacidade em bytes, basta encontrar a capacidade em bits e depois dividir por 8 (cada byte contm 8 bits) ou ento converter o tamanho da clula para bytes e depois multiplicar pelo nmero de clulas. O ltimo endereo na memria o endereo N-1 ( os endereos comeam em zero e vo at N-1).CAPACIDADE DA MEMRIA PRINCIPAL

ExemploUma memria RAM(MP) tem um espao mximo de endereamento 2K. Cada clula pode armazenar 16bits. Qual o valor total de bits que pode ser armazenado nessa memria e qual tamanho de cada endereo.

Se o espao mximo de endereos 2K, ento:N=2K, 1 clula = 16bits ento M=16, Logo temos.N=2x : N = 2K = 2*1024 = 21*210 = 211: x=11bitsA capacidade (valor total de bits)T = N*M = 211*16 = 211*24 = 215 1K=210 logo T = 25*210 = 32Kbits

MEMRIA - EXERCCIOS1) Numa MP com 1kbyte de capacidade, onde cada clula tem 8 bits: a) quantas clulas tem a MP? b) quantos bits so necessrios para representar um endereo de memria? 2) Um computador enderea 1k clulas de 16 bits cada uma. Pede-se: a) sua capacidade de memria; b) o maior endereo que o computador pode enderear; 3) A memria de um computador tem capacidade de armazenar 256 bits cada clula pode armazenar 16 bits. Pede-se: a) Qual o nmero de endereo?b) Qual o tamanho de cada endereo?

04) Uma memria RAM (MP) fabricada com a possibilidade de armazenar um mximo de 256Kbits.Cada clula pode armazenar 8bits. Qual o tamanho de cada endereo e qual total de clulas que podem ser utilizadas naquela RAM?

MEMRIA - EXERCCIOS

MEMRIA - EXERCCIOS4) Calcular e completar os campos

M - Tamanho da clulax - n de bits do endereoN - n de endereosT - Capac. da memria0 a (N-1) - Faixa de endereos8 bits1 K byte16 bits1 K endereos4 bits256 bits4 bytes4 Gbytes1 Mbyte0 a 65.53564 bits0 a 262.143

FUNCIONAMENTO DA MEMRIA PRINCIPAL Toda memria, seja Secundria ou Principal, pode permiti a realizao de dois tipos de operaes: escrita e leitura.

Entende-se por leitura a recuperao da informao armazenada e a escrita a gravao (ou armazenamento) da informao na memria.

No caso da Memria Principal (MP), essas operaes so realizadas pela UCP e efetuada por clulas, no sendo possvel trabalhar com parte dela.

FUNCIONAMENTO DA MEMRIA PRINCIPALA leitura no uma operao destrutiva, pois ela consiste em copiar a informao contida em uma clula da MP para a UCP, atravs de um comando desta.

Pelo contrrio a escrita uma operao destrutiva, por que toda vez que se grava uma informao em uma clula da MP, o seu contudo anterior de eliminado.

OPERAES DE I/O NA MEMRIA A ligao entre MP e UCP realizada atravs de dois registradores: o REM (Registrador de endereo de memria) e o RDM (Registrador de dados de memria) e suas respectivas vias. feito apenas um acesso por vez

Operao de escritaA UCP atravs do barramento de dados envia os dados para o RDM, ento a informao desejada gravada para a Memria Principal que o destinatrio final

A UC unidade de controle da UCP envia para o REM o endereo da memria onde o dado ser gravado, e coloca o sinal de escrita no barramento de controle para indicar ao circuitos de controle da MP o que fazer em seguida

Operao de escritaA realizao completa desse processo gasta um certo tempo (tempo de acesso), mas no garante que a MP possa realizar em seguida uma nova operao.

Esta pronta ou no pra realizar uma nova operao depende do tipo de RAMMemrias Estticas (SRAM) Permitem,Memrias Dinmicas (DRAM) No permitem

Operao de leituraA realizao de uma operao de leitura segue procedimento semelhante ao da operao de escrita, exceto claro pelo sentido da cpia que inverso.

Operao de leitura A UCP armazena no REM o endereo da posio, onde a informao a ser lida est localizada.

A UCP comanda uma leitura (sinal de controle para memria - READ).

O contedo (palavra) da posio identificada pelo endereo contido no REM , ento, transferido para o RDM; deste, enviado para a UCP, pela barra de dados.

Operao de leituraConforme j foi explicado para a operao de escrita, a realizao dos processo efetivao de uma operao de leitura gasta um tempo de acesso e a MP pode ou no est preparada para realizar uma nova operao.

ERROSEm sistemas de transmisso de informao a distncia (telecomunicaes) h sempre a possibilidade de ocorrerem deformao ou at mesmo destruio de parte da informao transmitida. Isso ocorre devido a interferncia no meio transmitido

ERROSA MP (ou qualquer outro tipo de memria) utiliza de um meio de transmisso (barramentos de dado) para o trnsito de informao. Esse trnsito sofre interferncia que pode alterar o valor de 1 ou mais bits (de 0 para 1 ou de 1 para 0) ou at mesmo destru-lo importante sabermos que os atuais sistemas de memrias possuem mecanismo capazes de detectar e corrigir tais erros

ERROSGrupo de Mbits que sero gravados na MP sofrem um processamento especfico em um dispositivo prprio de deteco de erros

Esse processamento realizado segundo as etapas de um algoritmo A e produz como resultado um conjunto de K bits. Sero gravados nas clulas da MP, M+K1bits e no apenas M bits de informao

ERROSNo processo de leitura (recuperar um dado) o sistema de deteco acionado, o mesmo algoritmo A executado sobre os M+K1bits, obtendo um novo conjunto k2 bits

ERROSOs k1bits armazenados so comparados com k2bits obtendo-se1 Ambos os conjuntos de K tem o mesmo valor ausncia de erros, logo M bits so transmitidos2 Os conjuntos so diferentes conclui-se existncia de erros no bloco de M bits

ERROSO processo de correo de erros, denominado comumente ECC ( cdigo de correo de erro), baseia-se no cdigo utilizado para construir os K bits adicionais de cada clula da MP.

Eles podem detectar a ocorrncia de erro em 1 ou mais bits e corrigir o errado. Ou seja se for detectada a ocorrncia de erro em 1 bit fcil corrigir pelo cdigo; porm se forem detectados mais bits errados O ECC somente indica que h erro sem poder identificar os bits errados

TIPOS DE MEMRIA Memria RAM um tipo de memria essencial para o computador, sendo usada para guardar dados e instrues de um programa. Tem como caractersticas fundamentais, a volatilidade, ou seja, o seu contedo perdido quando o computador desligado; o acesso aleatrio aos dados e o suporte leitura e gravao de dados, sendo o processo de gravao um processo destrutivo e a leitura um processo no destrutivo. Existem dois tipos bsicos de memria RAM, RAM Dinmica e RAM Esttica.

TIPOS DE MEMRIADinmica - Esta uma memria baseada na tecnologia de capacitores e requer a atualizao peridica do contedo de cada clula do chip consumindo assim pequenas quantidades de energia, no entanto possui um acesso lento aos dados. Uma importante vantagem a grande capacidade de armazenamento oferecida por este tipo de tecnologia.

Esttica - uma memria baseada na tecnologia de transistores e no requer atualizao dos dados. Consome mais energia (o que gera mais calor) comparando-se com a memria dinmica sendo significativamente mais rpida. freqentemente usada em computadores rpidos. Possui uma capacidade de armazenamento bem menor que a memria dinmica.

TIPOS DE MEMRIA

Memria ROM- um tipo de memria que contm instrues imutveis, nela esto localizadas rotinas que inicializam o computador quando este ligado; no-voltil, ou seja, os dados no so perdidos com a ausncia de energia; tambm de acesso aleatrio. Alguns dos tipos de memria ROM so: EPROM e EEPROM.

TIPOS DE MEMRIAEPROM- um tipo de ROM especial que pode ser programada pelo usurio. Seu contedo pode ser apagado pela exposio a raios ultravioletas.

EEPROM- tambm um tipo especial de ROM muito semelhante EPROM, tendo como diferena apenas o fato de que seu contedo apagado aplicando-se uma voltagem especfica em um dos seus pinos de entrada.

Fim de aula