arquitetura de computadores -...

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


• 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.



• 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.



Memória ConceitosImportantes


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).



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.



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).



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.



Tecnologias de fabricação

Memórias de semicondutores

Memórias de meio magnético

Memórias de meio óptico

Memória Tecnologias de Fabricação


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.



• 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 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.



Flip-Flop S-R

(SRAM)

Esquema 1 Transistor

e 1 Capacitor

(DRAM)

Memória

bit

wordMOSFET

Tecnologias de Fabricação


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.



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.



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.



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.



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.



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).



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).



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.



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).



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)



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.


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.



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.


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.


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.


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.


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.


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.


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).


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.


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 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;


•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


•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

http://pt.kioskea.net/contents/pc/disque.php3


•Lados– Único – Só um lado é magnetizável– Móvel – Os dois lados são magnetizáveis•Pratos– Únicos– Múltiplos

Disco Magnético


•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


•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


• 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


•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


•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

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