memória i conceitos e hierarquia - instituto de computação · 2021. 3. 26. · 1 memória i...

Memória IConceitos e Hierarquia

Prof. Celso A. W. Santos

J06B :: Arquitetura de Computadores Modernos

[email protected]

22/03/2021

Nas últimas aulas...

O que vimos nas aulas passadas?

� Diferença entre arquitetura e organização de computadores.

� Como descrevemos sistemas complexos: natureza hierárquica.

� As funções principais docomputador:

1 Processamento de Dados2 Armazenamento de Dados3 Movimentação de Dados4 Controle

� As quatro componentesestruturais do computador.

1 CPU2 Memória Principal3 Dispositivos de E/S4 Barramentos

� Ciclo de Instrução. Ciclo de Busca + Ciclo de Execução

Exercício Bônus

EXERCÍCIO BÔNUS (Ding! Ding! Ding!)

� Lista (parcial) de opcodes:. 0001: Carrega AC1 da memória.. 0002: Carrega AC2 da memória.. 0003: Adiciona da memória ao AC1.. 0004: Soma AC1 com AC2 e armazena resultado na memória.. 0005: Armazena AC1 na memória.

Nas próximas aulas!

� Memória do Computador. Visão geral do sistema de memória do computador. Características, tipos e propriedades.. Um rápido histórico.. A Hierarquia de Memória.

� Memória Cache. Princípios da Memória Cache. Endereços e Tamanho. Algoritmos de Substituição

� Memória Interna. Memória principal semicondutora. Correção de erro

� Memória Externa

Memória

Visão Geral do Sistema de Memória

� Conceito para Memória é aparentemente simples: armazenar!. Dados E Instruções!

� A memória do computador exibe uma gama variada de tipos,tecnologias, organizações, desempenhos e custos diferentes.. Mais, inclusive, do que qualquer outro componente do sistema

computacional.

� No exemplo do final da última aula, vimos informações sendotrazidas da Memória Principal para os Registradores.

� Hoje vamos entender um pouco mais sobre como funciona estecomponente responsável pelo armazenamento.

� ... e vamos fazer isso estudando uma subhierarquia de memória,focando principalmente no nível mais alto: a memória Cache.

computacional.

Classificando Memórias

� Para entender este assunto complexo, vamos classificar os sistemasde memória de acordo com suas principais características.

� São elas:1 Localização: memória é interna ou externa ao computador.2 Capacidade: quanto de informação pode ser armazenada.3 Unidade de Transferência: palavras vs. blocos de memória.4 Desempenho: tempos de acesso, ciclo e de transferência5 Método de Acesso: sequencial, direto, aleatório ou associativo.6 Tipo Físico: semicondutor, magnético, óptico, etc.7 Características Físicas: volátil ou não, apagável ou não.8 Dentre outros...

Localização & Capacidade :: Classificando Memórias

1 Localização: diz respeito a onde a memória se encontra em relaçãoao sistema computacional.. Interna: Memória Principal (RAM), Registradores da CPU, Unidade

de Controle, Memória Cache.. Externa: Memórias de Disco/Fita; precisam ser acessadas por meio

de controladores de E/S.

2 Capacidade: palavras vs. bytes.. A unidade fundamental do computador é o bit: 0 ou 1.. Um byte é composto por 8 bits.. Uma palavra é um conjunto de bytes que corresponde a uma unidade

de informação.– Essa informação pode ser um endereço, um dado, etc.– Tamanhos comuns de palavra são 8, 16 e 32 bits (i.e. 1, 2 e 4 bytes).

. Capacidade de memória externa é usualmente expressa em bytes.

Unid. de Transf. & Desempenho :: Classificando Memórias

3 Unidade de Transferência: corresponde ao número de linhas elétricasligadas ao módulo de memória interna.. Contabiliza o número de bits lidos/escritos na memória interna de

uma só vez.. Não precisa necessariamente ser igual a uma palavra .. Já para a memória externa, normalmente se contabiliza conjuntos de

palavras chamadas blocos.

4 Desempenho: mede a rapidez (ou lentidão) de acesso, leitura ouescrita de informações da memória.. Tempo de Acesso (latência): o tempo desde o instante em que um

endereço é apresentado à memória até o instante em que os dadosestão disponíveis para uso.

. Tempo de Ciclo de Memória: o tempo de acesso adicionado aqualquer overhead∗ antes que um segundo acesso possa ser feito.

. Taxa de Transferência: a taxa em que dados podem ser transferidospara dentro/fora da unidade de memória.

. As medidas de Desempenho dependem do Método de Acesso.

∗Tempo adicional

Métodos de Acesso :: Classificando Memórias5 Método de Acesso:

. Sequencial: A memória é organizada em registros.– O acesso é feito de forma sequencial, linear e rígida.– A “cabeça” de leitura/escrita é compartilhada entre todos os acessos

à memória.– Exemplo: fita magnética.

. Direto: Os registros têm um endereço (físico) exclusivo.– Também usa uma cabeça de leitura/escrita compartilhada.– Quando requisitada, a cabeça se move para a “vizinhança” do

registro.– Em seguida, é realizada uma busca sequencial na vizinhança.– Exemplo: disco rígido.

. Aleatório: cada local tem um mecanismo de endereçamentoexclusivo, fisicamente interligado.

– A palavra “aleatório” pode gerar uma confusão... não tem nada dealeatório aqui.

– Cada posição de memória é indexada, como um array.– Tempo de acesso é constante.– Exemplos: Memória principal (RAM); Cache.

. Associativo: parecido com aleatório.– Acesso é feito comparando um número de bits dentro de cada

registro.– Palavra é recuperada com base no conteúdo ao invés do endereço.– Exemplo: Cache.

Tecnologia & Características :: Classificando Memórias

6 Tecnologia: a parte organizacional de como a informação éarmazenada.. Memórias semicondutora, superfície magnética (disco e fita), óptica

e magneto-óptica.

7 Características Físicas: diz respeito a volatilidade da memória.. Em memória volátil, a informação se deteriora naturalmente ou se

perde quando a energia elétrica é desligada.– Exemplo: memória semicondutora.

. Memórias não-voláteis mantém a informação gravada semdeterioração até que ela seja deliberadamente mudada.

– Exemplo: unidades de memória de fita (VHS).

e magneto-óptica.

Timeline das Tecnologias

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

� Fita Magnética: backup de dados, armazenamento perene.– Vantagens: pequeno, robusto, portátil e baixo custo.– Desvantagens: acesso serial; leitura e escrita devagar.

� Disco Rígido: memória secundária ligada ao computador.– Vantagens: alta capacidade; baixo custo.– Desvantagens: tamanho físico; fragilidade.

� Memória Flash: memória não-volátil; permite reescrita.– Vantagens: alta capacidade; portabilidade; durabilidade.– Desvantagens: “erro humano”.

� Cloud: utiliza de outras servidores para armazenar dados.– Vantagens: alta disponibilidade e capacidade.– Desvantagens: depende de conexão à Internet; custo.

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray

FitaMagnética

Cassette

Disquete

Disco Rígido

Blu-Ray Cloud

A Hierarquia de Memória

Perguntas fundamentais...

Três perguntas regem qualquer cientista/engenheiro da computação nahora de projetar a memória do computador:

1 Quanto?. Capacidade é livre.. Quanto mais memória, melhor?. “Se tiver memória disponível, alguém vai achar uma funcionalidade

pra ela.”

2 Com que velocidade?. Estamos falando de velocidade na hora de ler/escrever dados da

memória.. Maior desempenho requer que a memória seja capaz de acompanhar

a velocidade do processador.– Não adianta nada o processador operar a mil e ter que esperar o ciclo

de busca terminar.

3 Com que custo?. Normalmente, o custo é o trade-off.. Para melhorar as duas perguntas, usualmente o custo irá piorar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

pra ela.”

de busca terminar.

Relação Fundamental

� Existe uma relação entre estas três características de memória:capacidade, tempo de acesso e custo.

1 ↓ tempo de acesso =⇒ ↑ custo por bit.2 ↑ capacidade =⇒ ↑ custo por bit.3 ↑ capacidade =⇒ ↑ tempo de acesso.

� O ideal seria ter tempo de acesso baixo para memórias de baixocusto e altíssima capacidade.

� Para sair do dilema, é preciso contar não com um único componentede memória, mas empregar uma hierarquia de memória.

A Hierarquia de Memória

↓ custo/bit↑ capacidade↑ tempo de acesso↓ frequência

Níveis :: A Hierarquia de Memória

� Tipo de memória mais rápido, menor capacidade e maior custo/bitconsiste dos registradores do processador.. Máquinas contemporâneas possuem entre 16-64 registradores.. Registradores de propósito específico (Program Counter, Instruction

Register, etc.) + General purpose.

� Memória Cache. Nível de memória “intermediário”.. Não é visível nem ao usuário nem ao processador.. Vamos falar mais sobre ela depois...

� Memória Principal. Principal sistema de memória interna do computador.. Cada local na memória tem um endereço exclusivo.

� Memória Secundária. Auxiliar à memória principal.. Utilizada para armazenar arquivos e registros, não bytes ou palavras

individuais.. Estende a memória principal → Memória Virtual.

Exemplo :: A Hierarquia de MemóriaComo isso funciona na prática? Vamos ver um rápido exemplo.� Processador tem acesso a dois níveis de memória.

. Nível 1: 1.000 palavra; tempo de acesso t1 = 0.01µs

. Nível 2; 100.000 palavras; tempo de acesso t2 = 0.1µs� Se uma palavra buscada está no nível 1, o processador acessa ela

diretamente (t1).� Se uma palavra está no nível 2, ela tem que ser transferida para o

nível 1 e, depois, acessada (t2 + t1).� Precisamos considerar a “taxa de acerto” do processador.

. “Localidade de Referência”: durante a execução de um programa, asreferências de memória (para instruções e dados) tendem a seagrupar (loops, arrays, funções, etc.).

� 95% dos acessos são encontrados no nível 1; os demais, é necessárioacessar o nível 2.

� Tempo médio de acesso é:tmédio = 95%× t1 + 5%× (t2 + t1)

= (0.95)(0.01µs) + (0.05)(0.1µs+ 0.01µs)= 0.0095µs+ 0.015µs= 0.015µs.

Dúvidas?

Na aula que vem...

Correção do Exercício Bônus

EXERCÍCIO BÔNUS (Ding! Ding! Ding!)

� Lista (parcial) de opcodes:. 0001: Carrega AC1 da memória.. 0002: Carrega AC2 da memória.. 0003: Adiciona da memória ao AC1.. 0004: Soma AC1 com AC2 e armazena resultado na memória.. 0005: Armazena AC1 na memória.

Correção do Exercício Bônus

Lista de opcodes:1 AC1 ← MEM2 AC2 ← MEM3 AC1 ← AC1 + MEM4 MEM ← AC1 + AC25 MEM ← AC1

Boa noite a todos!

memória i conceitos e hierarquia - instituto de computação · 2021. 3. 26. · 1 memória i...

Documents