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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS

CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS

CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

Arquitetura e Organização de Computadores

3- Sistemas de Memória Interna

Parte I

Prof. Sílvio Fernandes

Hierarquia de Memória

“Em termos ideais, desejaríamos dispor de uma capacidade de memória infinitamente grande e que pudesse disponibilizar imediatamente o conteúdo de qualquer das suas palavras... Somos forçados a reconhecer a possibilidade de construir um sistema de memória estruturado hierarquicamente, no qual cada um dos componentes da hierarquia tenha mais capacidade de armazenamento e um tempo de acesso maior do que aqueles que o precedem.”

A. W. Burks, H. H. Goldstine e J. Von Neumann Preliminary Discussion of the Logical Design of na Electronic Computing Instrument, 1946

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Programadores vêm exigindo capacidades ilimitadas de memória, de acesso quase que instantâneo

A hierarquia de memória ajuda a criar essa ilusão

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Analogia:

Estudante que deseja escrever um artigo sobre os importantes desenvolvimentos no hardware dos processadores ao longo do tempo

Selecionou um conjunto de livros da biblioteca e pôs sobre a mesa para pesquisar

Os livros têm as descrições de várias máquinas, exceto EDSAC

Então, ele volta às estantes em busca de um livro adicional

Caso tenha selecionado bem os livros que se encontram sobre a mesa, existe uma grande possibilidade de encontrar neles a maioria dos tópicos de que precisa

O fato de ter vários livros à frente faz com que o tempo de escrita do artigo seja menor

Não foi preciso acessar todos os livros da biblioteca de uma vez, com igual prioridade

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Os programas operam usando essa ideia, chamada de princípio da localidade

Os programas acessam uma parte relativamente pequena do seu espaço de endereçamento em um instante qualquer

Localidade temporal

Se um item é referenciado, ele tende a ser referenciado novamente dentro de um espaço de tempo curto

Localidade espacial

Se um item é referenciado, itens cujos endereços sejam próximos dele tendem a ser logo referenciados

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Tiramos proveito do princípio da localidade implementando a memória de um computador como uma hierarquia de memória

Prevê a existência de vários níveis de memória, cada um com tamanhos e velocidades diverentes

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Organização da Memória

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• Capacidade • Tempo de acesso

• Custo por bit • Frequência de acesso pelo processador

Organização da Memória

Dilema

Tempo de acesso mais rápido, maior custo por bit

Maior capacidade, menor custo por bit

Maior capacidade, tempo de acesso mais lento

Quando se desce na hierarquia

Diminuição do custo por bit

Aumento da capacidade

Aumento do tempo de acesso

Frequencia de acesso à memória pelo computador

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Características Fundamentais

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Localidade

Interna ou externa

Capacidade

Normalmente em bytes ou palavras

Palavra: normalmente é igual ao no. de bits usados para representar um inteiro e ao tamanho da instrução

Unidades endereçáveis: em alguns sistemas, a unidade endereçável é a palavra

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Unidade de transferência

Memória principal: é o no. de bits lidos ou escritos na memória de um só vez (não precisa ser igual a uma palavra)

Memória externa: normalmente são transferidos em unidades muito maiores que uma palavra e esta são chamadas de blocos

Método de acesso

Sequencial

Direto

Aleatório

Associativo

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Método de acesso Sequencial

Os dados são organizados em registros sequenciais.

Exemplo: fitas magnéticas

O tempo de acesso é variável

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Trilha 01

Trilha 02 Trilha 03 Trilha 04 Trilha 05 Trilha 06 Trilha 07 Trilha 08 Trilha 09

Registro físico

Espaço entre registros (bit de paridade)‏


Método de acesso direto

Cada bloco de dados possui um endereço único, baseado na localização física

O acesso é feito através do acesso direto a uma vizinhança genérica do registro, e em seguida por uma busca sequencial

O tempo de acesso é variável

Exemplo: HD

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Dado buscado (trilha 02, setor 25)‏

Movimento do braço

Movimento do disco


Método de acesso aleatório

Cada posição de memória possui um endereço único

O tempo de acesso a uma posição é constante, sendo independente dos acessos anteriores

Exemplos: Memória principal e alguns sistemas de memória cache

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P1

P2

P3

P4

...

P8

000

001

010

011

111

...

endereços acesso


Método de acesso associativo

Tipo de acesso aleatório que compara simultaneamente certo número de bits de uma palavra com todas as palavras da memória, determinando quais delas contêm o mesmo padrão de bits

Uma palavra é buscada com base em parte de seu conteúdo, e não de acordo com o seu endereço

Exemplo: Memórias cache

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Desempenho

Tempo de Acesso (latência)

Tempo de ciclo de memória

Taxa de transferência

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Desempenho (Tempo de Acesso)

Em memórias de acesso aleatório

Tempo decorrido desde o instante em que um endereço é apresentado à memória até o momento em que os dados são armazenados ou se tornam disponíveis para utilização

Em memórias de acesso não-aleatório

Tempo gasto para posicionar o mecanismo de leitura-escrita na posição desejada

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Desempenho (Tempo de ciclo de memória)

Aplicável principalmente às memórias de acesso aleatório

Compreende o tempo de acesso e o tempo adicional requerido antes que um segundo acesso possa ser iniciado

O tempo adicional é necessário para o desaparecimento de transientes nas linhas de sinal

Esse tempo refere-se ao barramento do sistema e não ao processador

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Desempenho (Taxa de transferência)

Taxa na qual os dados podem ser transferidos de ou para a unidade de memória

Para memórias de acesso aleatório:

1/(tempo de ciclo)

Para memórias de acesso não-aleatório:

TN = TA+(n/R), em que:

TN = tempo médio para ler ou escrever N bits;

TA = tempo de acesso médio

n = número de bits

R = taxa de transferência em bits por segundo (bps)

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Tecnologia

As mais comuns são memória semicondutora

RAM

Memória de superfície magnética

Disco ou fita

Óptica

CD e DVD

Magneto-óptica

Bolha e holograma

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Características físicas

Volátil: a informação se deteriora naturalmente ou se perde quando a energia elétrica é desligada (semicondutora)

Não volátil: a informação uma vez gravada permanece sem deterioração até que seja deliberadamente mudada (superfície magnética ou semicondutora)

Não apagável: memória somente leitura (ROM)

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Memória Cache

Todos os sistemas de memória atuais contemplam uma memória cache

Uma memória principal grande e lenta é combinada com uma memória cache pequena e rápida

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Memória Cache

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Referências

• STALLINGS, W. Arquitetura e organização de computadores: projeto para o desempenho. 8. ed. Prentice Hall, 2009.

• DELGADO, J.; RIBEIRO, C. Arquitetura de Computadores. 2 ed. LTC, 2009.

• PATTERSON, D. A. ; HENNESSY, J.L. Organização e projeto de computadores – a interface hardware software. 3. ed. Editora Campus, 2005.

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