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1 1 Microcomputadores e Memórias Apostila de Sistema Micro processado - 1 Em um microcomputador qualquer, existem três componentes básicos: - Microprocessador - Memória - Periféricos ou Dispositivos de Entrada/Saída (I/O Input/output) O microprocessador é o componente central do microcomputador, ele é responsável pelos acessos de leitura e escritas tanto na memória quanto nos dispositivos de I/O. Falaremos mais a frente sobre estes três itens. Na figura a seguir temos o diagrama em blocos de um microcomputador qualquer. Em um microcomputador todos os dispositivos externos ao microprocessador são considerados por este como sendo Memória ou Periférico. Isto significa que: o que não for memória é um periférico. O periférico pode ser deste um simples chip controlador (chip set) até uma interface. Para que o microprocessador possa ter acesso à memória ou aos dispositivos periféricos, estes deverão obrigatoriamente possuir um endereço distinto ou seja, uma codificação de acesso. Esta codificação é transmitida ao longo do bus de endereços em um código binário, sendo que cada via (pino) carrega um sinal correspondente a um dígito binário (bit - 0 ou 1). O periférico ou memória a ser acessado, vai ser habilitado pelo bus de controle, e a informação trafegará entre o dispositivo externo e o microprocessador via bus de dados. A figura acima temos um diagrama representativo deste processo. 1.1 Memórias RAM e ROM Existem duas classes de memórias: RAM e ROM. A memória ROM (Read Only Memory), como o próprio nome diz, é a memória de apenas leitura. Já vem gravada de fábrica ou pode ser gravada em equipamentos especiais, não é possível apagar o seu conteúdo e o mesmo não é ser perdido com a ausência de energia. No microcomputador temos uma ROM com rotinas básicas para o seu funcionamento, mais conhecida como BIOS (Basic I/O System). Nas memórias RAM (Random Access Memory), ao contrário das ROMs, podemos gravar e regravar informações diversas. Contudo seu conteúdo se perder com a ausência de energia. No microcomputador esta memória é a memória do usuário e a memória cache

2 Apostila de Sistema Micro processado Tipos de memória ROM Existe algumas classe de memórias ROM: - PROM (Programable ROM) ROM que pode ser programada uma vezes por equipamento especial - EPROM (Eraseble PROM) Tipo de ROM que podemos apagar o seu conteúdo através de raios ultra-violeta. Podemos regrava-la com um gravador de EPROM - EEPROM (Eletric EPROM) EPROM que pode ser apagada eletricamente. As placas CPU mais recente utilizam esta memória como BIOS. Podendo o usuário atualizá-la baixando uma nova versão do fabricante. - FLASH ROM - A memória Flash é uma evolução das memórias EEPROM. A diferença entre a memória Flash e a EEPROM é que a memória Flash permite que apenas parte da memória seja reprogramada durante o processo de reprogramação, enquanto que na memória EEPROM é necessário regravar a memória inteira, mesmo que você precise alterar o valor de apenas um pequeno dado. As BIOS das placas CPU atuais, são do tipo FLASH ROM. Dando possibilidade do usuário atualizar o seu conteúdo via site do fabricante Tipos de Memórias RAM Temos dois tipos de memórias RAM: - Dinâmica: menor consumo de energia e maior capacidade de armazenamento de informações por densidade ocupada. - Estática: consumo de energia maior do que as dinâmicas, tempo para gravação e leitura menor do que as dinâmicas e menor capacidade de armazenamento por densidade ocupada. As memórias estáticas são utilizadas nos microprocessadores e são conhecidas como memória cachê, mais a frente detalharei o seu funcionamento Memória Cache A memória cache é um tipo de memória estática rápida utilizada para armazenar os dados mais utilizados, tornando o micro mais rápido. A memória cache começou a aperecer nos micros 386, instalada na placa-mãe. A partir do processador 486, todos os processadores passaram a ter uma pequena quantidade desta memória dentro do próprio processador - chamada memória cache nível 1 (L1) ou simplesmente memória cache interna, pois está dentro do processador. Quando citamos memória cache, normalmente estamos nos referindo à memória cache presente na placa-mãe do micro - chamada memória cache nível 2 (L2) ou simplesmente memória cache externa. A exceção fica por conta dos processadores a partir do Pentium II - que possui tanto o cache L1 quanto o L2 dentro do próprio chip. Portanto, para os processadores atuais, as nomenclaturas "cache interno" e "cache externo" não fazem muito sentido - e daí preferirmos a nomenclatura "Cache L1" e "Cache L2". O cache de memória é uma memória mais rápida do que a RAM principal. Como o processador consegue ser mais rápido que a memória RAM principal, ao trocar informações com a RAM principal o processador tem de esperar, o que degrada o desempenho do micro. Para que isso não ocorra, o cache de memória é usado como um

3 Apostila de Sistema Micro processado - 3 intermediário na conversa do processador com a memória RAM, já que o cache é capaz de conversar com o processador rapidamente, sem espera. Não importa se o seu PC é novo ou antigo, aumentar a sua memória normalmente é um up-grade que melhora o desempenho, principalmente na execução de programas. programas mais "pesados". Um dos upgrades mais comuns é o de memória. Em geral quando é realizado, o computador se torna mais rápido, mas isso depende muito dos programas e da quantidade original de memória. Por exemplo, aumentar de 64 MB para 128 MB em um PC moderno, resultará em aumento de desempenho. Já uma expansão de 256 MB para 512 MB provavelmente não trará melhoramentos, a menos que sejam usados muitos programas de forma simultânea, que exijam muita memória. Felizmente temos como verificar previamente se uma expansão de memória se faz necessária. Quando um PC tem muita memória, o sistema operacional pode usar uma parte desta memória como cache de disco, o que aumenta bastante o desempenho do disco rígido. Muitos usuários têm dificuldades para conseguir memórias que já se tornaram raras. Em alguns locais se vendem memórias PC133, mas não se vendem PC100 nem PC66. Em micros um pouco mais antigos, a inexistência de módulos FPM e EDO impede o upgrade. Uma solução definitiva para o problema é comprar memórias através da Kingston (www.kingston.com.br). Suas memórias são um pouco mais caras que as genéricas mais vendidas no Brasil, mas têm garantia lifetime e são disponíveis em todos os modelos, até os mais antigos. Desta forma não é necessário recorrer ao mercado de peças de segunda mão, que é pouco confiável. Atenção com a eletricidade estática As memórias, assim como todos os componentes eletrônicos usados nos computadores, são extremamente sensíveis à eletricidade estática, podendo ser danificados com facilidade. Tome as precauções usuais ao manusear as memórias: Descarregando a eletricidade estática das mãos. 1) Antes de manusear as memórias, descarregue a eletricidade estática das suas mãos. Isto pode ser feito tocando as duas mãos na carcaça metálica da fonte de alimentação (não pintada) ou da chapa metálica interna do gabinete do computador. Se você trabalhar profissionalmente, é recomendável usar uma pulseira anti-estática. Pulseira anti-estática.

4 Apostila de Sistema Micro processado - 4 2) Ao manusear os módulos de memória, não toque nos seus chips nem no seu conector. A figura seguinte mostra as formas correta e errada de manusear as memórias. Formas correta e errada de manusear módulos de memória. O que é encapsulamento? O chip de memória é um circuito elétrico integrado em uma minúscula fatia de silício contendo impurezas. É um pouco mais espesso que uma folha de papel e é muito delicado, não podendo suportar exposição ao ar. Portanto, o que é denominado chip de memória, é o encapsulamento, ou seja, o invólucro protetor do circuito, que é feito de material plástico ou resina epóxi. A memória está lá dentro e se liga ao mundo exterior por fios metálicos que saem do invólucro e se conectam a contatos metálicos que se encaixarão nos soquetes ou slots (fendas com contatos elétricos) da placa-mãe. Encapsulamentos de memórias ROMs Quase sempre se encontrarão memórias ROMs fabricadas com encapsulamento DIP cerâmico ou plástico, conforme exemplo na figura abaixo. ROM com encapsulamento DIP. O encapsulamento DIP (dual in-line package) cerâmico é mais utilizado pelas ROMs do tipo EPROM (ou UV-EPROM). Essas ROMs possuem uma janela de vidro, através da qual os dados podem ser apagados através de raios ultra-violeta. Depois de apagadas, podem ser novamente gravadas. Em uso normal esta janela deve permanecer tampada por uma etiqueta. Portanto nunca retire a etiqueta da ROM expondo sua janela de vidro, pois ela pode ser apagada por exposição prolongada à luz natural. Podemos ainda encontrar ROMs com outros encapsulamentos diferentes do DIP, como o PLCC (plastic leadless chip carrier), mostrado na figura seguinte. Este tipo de ROM é muito encontrado em modems e nas placas de CPU modernas. ROM com encapsulamento PLCC.

5 Apostila de Sistema Micro processado - 5 Encapsulamento das memórias RAMs Os chips de memória RAM também podem ser encontrados em diversos formatos, sendo que o mais comum é o encapsulamento SOJ (small outline package J-lead), mostrado logo abaixo. Você encontrará com freqüência este encapsulamento nos chips que formam os módulos de memória e nos que forma a memória de vídeo, encontrados em placas de vídeo. Chips de RAM com encapsulamento SOJ. Também é comum encontrar chips de RAM com encapsulamento QFP (quad flatpack). São usados por chips que formam a cache L2 em placas de CPU com cache externa, e nos chips que formam a memória de vídeo. Chips de RAM com encapsulamento QFP. Comenta-se sobre esses chips por razões meramente ilustrativas. Quem está preocupado apenas em realizar upgrades não precisará se envolver diretamente com esses chips de memória. RAMs estáticas e dinâmicas RAMs podem ser divididas em duas grandes categorias: RAMs estáticas (SRAM) e RAMs dinâmicas (DRAM). A DRAM é a memória usada em larga escala nos PCs. Quando dizemos que um PC possui, por exemplo, 128 MB, tratam-se de 128 MB de DRAM. São memórias baratas e compactas, o que é um grande atrativo. Por outro lado, são relativamente lentas, o que é uma grande desvantagem. Por esta razão, os PCs utilizam em conjunto com a DRAM, uma memória especial, mais veloz, chamada cache, que serve para acelerar o desempenho da DRAM. A SRAM (cache) tem como objetivo o aumento do desempenho através de um processo de aceleração de troca de informações entre memória principal (DRAM) e processador. Antigamente a memória cache localizava-se na placa-mãe. Atualmente ela encontra-se embutida no processador e também na placa-mãe em alguns casos. No momento existem 03 (três) tipos de memória cache:

6 Apostila de Sistema Micro processado - 6 L1 (level 1 nível 1 interna): - Localizada dentro do processador. - Extremamente importante para performance do processador. - Varia de 16 Kb a 512 Kb em média. L2 (level 2 nível 2 externa): - Localizada na placa-mãe. - Controlador desta memória se encontra embutido no chipset. - Tamanhos mais comuns: 256 Kb, 512 Kb, 1 Mb. L3 (level 3 nível 3): - Determinados processadores acabaram embutindo a cache L2 para acelerar sua performance. Isto possibilitou que a cache localizada na placa-mãe pudesse ser utilizada como um terceiro nível de memória cache. Segue um exemplo simples de funcionamento de uma memória cache: Imagine que o serviço deste secretário seja atender clientes da seguradora que ligam esporadicamente. Cada cliente possui uma ficha, sendo que todas as fichas estão organizadas num grande arquivo do outro lado da sala. Quando um cliente liga, o secretário precisa de se levantar e procurar a ficha do cliente no arquivo, antes que possa atendê-lo, fazendo com que cliente precise esperar um tempo razoável. Com o passar do tempo, o secretário percebe que dos clientes, 50 ligam com mais freqüência. Ele então resolve colocar um pequeno fichário sobre a mesa, e nele guarda as fichas destes 50 clientes que são responsáveis pela maioria das chamadas. Quando um destes clientes ligar, o secretário poderá localizar a sua ficha em muito menos tempo, já que elas já estarão sobre a sua mesa. Enquanto estiver atendendo o cliente, ele manterá a ficha deste à mão, para que possa atender imediatamente a qualquer solicitação. O grande arquivo ilustra a memória RAM, onde todos os programas abertos são carregados. O pequeno fichário sobre a mesa ilustra a cache L2, que armazena os dados usados com mais freqüência pelo processador. Finalmente, a ficha mantida à mão enquanto o cliente é atendido ilustra a cache L1, que é brutalmente mais rápido do que a memória RAM e até mesmo que a cache L2, apesar do seu tamanho reduzido não permitir a armazenagem de muitos dados, assim como não é possível (pelo menos no exemplo) manter mais que uma ficha à mão ao mesmo tempo. A DRAM por sua vez pode ser subdividida em outras categorias, sendo as principais (em ordem cronológica): DRAM FPM DRAM EDO DRAM SDRAM DDR SDRAM RDRAM A DRAM não é caracterizada pela rapidez, e sim pelo baixo custo, aliado à alta capacidade, em comparação com a SRAM. A alta capacidade é devida ao fato das suas células de memória serem mais simples. Com células mais simples, é possível criar chips com maior número de células de memória. As RAMs estáticas são muito utilizadas para formar a cache L2 externa, em placas de CPU para processadores que não possuem esta cache intergrada. Os módulos COAST, por exemplo, já citados neste capítulo, são formados por chips de RAM estática.

7 Comparando SRAM e DRAM Apostila de Sistema Micro processado - 7 Como mostra a tabela, a DRAM leva vantagem em todos os pontos, exceto na velocidade. Esta desvantagem é compensada com o uso de memória cache. A lentidão da DRAM é resultado da sua natureza capacitiva. SRAM DRAM * Rápida Lenta Baixa densidade * Alta densidade Alto custo * Baixo custo Alto consumo * Baixo consumo DRAMs síncronas No final dos anos 90 surgiram as DRAMs síncronas (Synchronous DRAM, ou SDRAM), ideais para barramentos de 66 a 133 MHz, e alguns modelos chegando a 166 MHz. Para barramentos mais velozes, como 200, 266 e até 400 MHz, foram criadas novas versões ainda mais velozes, como a DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) e a RDRAM (Rambus DRAM). SDRAM Esta é a DRAM síncrona (Synchronous DRAM), muito utilizada nas placas de CPU produzidas entre 1997 e A principal diferença em relação às DRAMs dos tipos EDO e FPM é que seu funcionamento é sincronizado com o do chipset (e normalmente também com o processador), através de um clock. Por exemplo, em um processador com clock externo de 133 MHz, o chipset também opera a 133 MHz, assim como a SDRAM. Existem exceções, como as primeiras placas para processadores Athlon, com clock externo de 200 MHz mas com memórias SDRAM operando com apenas 100 ou 133 MHz. De qualquer forma, sempre existirá uma sincronização entre o chipset e a SDRAM. A SDRAM é mais veloz que a EDO DRAM, é suportada por todas as placas de CPU produzidas a partir de meados de 1997, e seus módulos usam o encapsulamento DIMM/168. Memórias SDRAM modernas operam com temporizações como ou Significa que levam 3 ou 2 ciclos para fazer o primeiro acesso (isto é o que chamamos de CL, ou latência do CAS) e 1 ciclo para cada um dos três acessos seguintes. O valor de CL pode ser ajustado pelo CMOS Setup, de forma manual ou então de forma automática. Para usar o ajuste automático basta programar o item SDRAM timing com a opção by SPD. O SPD (Serial Presence Detect) é uma pequena ROM de configuração existente nos módulos de SDRAM, através da qual o BIOS pode identificar automaticamente as características da memória. PC66, PC100, PC133 Inicialmente surgiram chips de SDRAM com clocks de 66, 100 e 125 MHz. Teoricamente eram destinados a operar com barramentos externos de 66, 100 e 125 MHz, respectivamente. Como existiam várias diferenças entre as temporizações das várias versões de SDRAM de vários fabricantes, algumas incompatibilidades passaram a ocorrer. Visando resolver esses problemas, a Intel criou os padrões PC66, PC100 (e mais tarde o PC133). São normas que definem todos os parâmetros de tempo que as memórias deveriam obedecer para operar seguramente a 66 e a 100 MHz, o que acabou com os problemas de compatibilidade. Os módulos de 100 MHz já existentes no mercado não atendiam plenamente às especificações do padrão PC100, por isso esses módulos passaram a ser designados como PC66. Já os módulos de 125 MHz existentes tinham temporizações compatíveis com o PC100, e passaram a ser assim designados. Portanto um módulo com marcação de 10 ns ou 100 MHz é PC66. Pode ser usado com barramentos externos de 66 MHz, e possivelmente também a 75 ou 83 MHz, mas não a 100 MHz. Os módulos com marcação de 8 ns ou 125 MHz são classificados como PC100.

8 Apostila de Sistema Micro processado - 8 Os primeiros módulos para 133 MHz já foram criados obedecendo ao padrão PC133, portanto podem ser seguramente usados em barramentos de 133 MHz. Esses módulos têm tempos de acesso de 7,5 ns ou menores. DDR SDRAM Apesar de envolver um grande esforço de engenharia na sua implementação, a idéia da DDR (Double Data Rate) SDRAM é bastante simples. Ao invés de uma única SDRAM, coloque duas iguais, lado a lado. Quando uma for acessada, a outra também será. Cada SDRAM poderá entregar um dado a cada pulso de clock. Como temos duas memórias em paralelo, o conjunto poderá entregar dois dados a cada pulso de clock. O resultado é uma taxa de transferência duas vezes maior. Agora, ao invés de utilizar dois chips SDRAM iguais, lado a lado, constrói-se um único chip com os circuitos equivalentes aos das duas SDRAMs, e adiciona-se a ele, os circuitos necessários para fazer a transmissão dupla a cada pulso de clock. O chip resultante é uma DDR SDRAM. Operação da SDRAM e da DDR SDRAM. A figura acima mostra a diferença, do ponto de vista externo, entre a SDRAM e a DDR SDRAM. Os períodos de clock são representados por T0, T1, T2 e T3. A SDRAM fornece um dado a cada período de clock, e o instante da subida deste clock (transição de 0 para 1 ) indica que o dado está pronto para ser lido. Na DDR SDRAM, utilizando períodos iguais, cada transição de subida ou de descida indica a presença de um dado pronto. Portanto são dois dados a cada clock. As memórias DDR são oficialmente encontradas em versões de 266 MHz, 333 MHz e 400 MHz, DDR2 SDRAM Memórias do tipo DDR2 já são aceitas em algumas placas-mãe topo de linha. Segue abaixo uma pequena lista das principais diferenças entre as memórias DDR2 e DDR: As memórias DDR2 são encontradas em versões de 400 MHz, 533 MHz, 667 MHz e 800 MHz. Assim como as memórias DDR, transferem dois dados por pulso de clock. Por conta disso, os clocks listados são os clocks nominais e não os clocks reais. Para obter o clock real divida o clock nominal por dois. Por exemplo, a memória DDR2-667 na realidade trabalha a 333 MHz. As memórias DDR2 têm menor consumo elétrico comparadas às memórias DDR. As memórias DDR são alimentadas com 2,5V enquanto as memórias DDR2 são alimentadas com 1,8V. Nas memórias DDR a terminação resistiva necessária para a memória funcionar está localizada na placa-mãe. Já na DDR2 este circuito está localizado dentro do chip de memória. É por este motivo que não é possível instalar memórias DDR2 em soquetes de memória DDR e vice-versa. Os módulos de memória DDR têm 184 terminais, enquanto os módulos de memória DDR2 têm 240 terminais. Nas memórias DDR o parâmetro latência do CAS (CL), também conhecido como tempo de acesso que é o tempo que a memória demora em entregar um dado solicitado, pode ser de 2, 2,5 ou 3 pulsos de clock. Nas memórias DDR2 o tempo de acesso pode ser de 3, 4 ou 5 pulsos de clock. Nas memórias DDR2, dependendo do chip, há uma latência adicional (chamada AL, additional latency ) de 0, 1, 2, 3, 4 ou 5 pulsos de clock. Ou seja, em uma memória DDR2 com CL4 e AL1, o tempo de acesso (latência) é de 5 pulsos de clock. Nas memórias DDR2 a latência de escrita é igual à latência de leitura (CL + AL) menos 1.

9 Apostila de Sistema Micro processado - 9 Internamente o controlador das memórias DDR trabalha carregando antecipadamente dois bits de dados da área de armazenamento (tarefa conhecida como prefetch ou pré-busca ), já o controlador das memórias DDR2 trabalha carregando quatro bits. Aparência Física Os módulos de memória DDR e DDR2 possuem o mesmo tamanho físico, porém módulos DDR têm 184 terminais, enquanto módulos DDR2 têm 240 terminais. Abaixo se pode comparar os terminais de um módulo DDR2 com um módulo DDR. Diferença entre o contato de borda dos módulos DDR para os módulos DDR2. Desta forma, não há como instalar um módulo DDR2 em um soquete DDR e vice-versa. Todo chip DDR2 usa encapsulamento BGA (Ball Grid Array), enquanto chips DDR normalmente usam encapsulamento TSOP (Thin Small-Outline Package). Existem chips DDR com encapsulamento BGA (como é o caso dos chips da Kingmax), mas não são comuns. Na Figura A pode ser conferida a aparência de um chip DDR com encapsulamento TSOP, usado em módulos DDR, enquanto na Figura B pode ser observada a aparência de um chip DDR2 com encapsulamento BGA, usado em módulos DDR2. Figura A: Chips DDR normalmente usam encapsulamento TSOP.

10 Apostila de Sistema Micro processado - 10 Figura B: Chips DDR2 normalmente usam encapsulamento BGA. Terminação Resistiva Nos módulos DDR a terminação resistiva necessária para a memória funcionar está localizada na placa-mãe. Já nos módulos DDR2 esta terminação está dentro dos chips de memória técnica chamada ODT, On-Die Termination. Isto foi feito para que o sinal a ser lido e escrito pela memória ficasse mais limpo. Observando a próxima figura se nota uma comparação do sinal que chega à memória. Do lado esquerdo estão os sinais no sistema onde a terminação está na placa-mãe (memórias DDR). Já do lado direito surgem os sinais no sistema onde a terminação está na memória (memórias DDR2). Mesmo um leigo é capaz de facilmente identificar que o sinal do lado direito está mais limpo e estável que o sinal do lado esquerdo. No quadrado amarelo é possível realizar a comparação da diferença de janela de tempo que a memória tem para ler ou gravar um dado. Com o uso da terminação resistiva, esta janela de tempo aumentou, significando que clocks maiores podem ser atingidos, já que a memória tem mais tempo para ler ou escrever um dado. Latências As memórias DDR2 trabalham com latências maiores do que as memórias DDR. Em outras palavras, elas demoram mais pulsos de clock para entregarem um dado solicitado. Isso significa que as memórias DDR2 são mais lentas do que as memórias DDR? Não necessariamente. Elas demoram mais pulsos de clock, mas não necessariamente mais tempo. Se for realizada uma comparação de uma memória DDR com uma memória DDR2 rodando sob um mesmo clock, a que tiver menor latência será mais rápida. Portanto, caso se apresente uma memória DDR400 com CL3 e uma memória DDR2-400 com CL4, a memória DDR400 será mais rápida. Lembrando que as memórias DDR2 têm um parâmetro adicional chamado AL (latência adicional) que deve ser somada à sua latência nominal (CL) para obter a latência total. No caso de comparações de memória com velocidades diferentes, deve ser levado em conta o clock. No caso de uma memória DDR400 com CL3, este 3 significa que a memória demora 3 pulsos de clock para começar a entregar os dados solicitados. Como esta memória roda a 200 MHz, cada pulso de clock dura 5 ns (T = 1/f). Ou seja, sua latência é de 15 ns. Já uma memória DDR2-533 com CL3 e AL0, este 3 também significa que a memória demora 3 pulsos de clock, só que como esta memória roda a 266 MHz, cada pulso de clock dura 3,75 ns, ou seja, sua latência é de 11,25 ns sendo, portanto, mais rápida para entregar dados do que uma memória DDR400 CL3. Ou seja, uma memória DDR2-533 com CL4 e AL0 tem a mesma latência de uma memória DDR400 CL3. Note que estamos assumindo a latência adicional como zero, caso contrário teríamos de incluí-la nas

11 Apostila de Sistema Micro processado - 11 contas. Isto é, uma memória DDR2 com CL3 e AL1 na realidade possui latência de quatro pulsos de clock. Alguns fabricantes divulgam a latência de seus módulos de memória através de quatro números, como ou ou A latência referida (CL) é o primeiro número da seqüência. Já a latência adicional (AL) em geral é encontrada na documentação técnica da memória, normalmente disponível em um arquivo do tipo PDF para download no site do fabricante. Para facilitar as contas e comparações, segue uma tabela abaixo contendo a duração de cada pulso de clock dependendo do tipo de memória. Assim somente é necessário pegar o número apresentado abaixo de acordo com o tipo de memória a ser comparada e multiplicar pelo valor da sua latência para saber a duração da latência em nanossegundos, podendo, assim, comparar a latência de memórias com clocks diferentes para saber qual memória é efetivamente mais rápida. Memória DDR266 DDR333 DDR400 e DDR2-400 DDR2-533 DDR2-667 DDR2-800 Duração de Cada Pulso de Clock 7,5 ns 6 ns 5 ns 3,75 ns 3 ns 2,5 ns Em relação a preço, a Intel acredita, baseada em estudos mercadológicos, que somente no final de 2006 chips DDR2-667 de 512 Megabits terão o mesmo preço que hoje os chips DDR-400 de mesma densidade têm. De acordo com os mesmos estudos, a paridade de preços entre DDR2-533 e DDR-400 deve ocorrer no terceiro trimestre do ano de 2006, enquanto a paridade entre DDR2-400 e DDR-400 deve ocorrer no início de DDR3 SDRAM As memórias DDR3 estão no momento em estágio de protótipo. O JDEC, órgão que padroniza as memórias RAM, ainda não finalizou as especificações deste padrão. Aliás, o grande problema atualmente é que os protótipos de cada fabricante estão usando parâmetros diferentes, o que dificulta os testes deste novo tipo de memória. Este problema só será resolvido quando os fabricantes e o JDEC acordarem sobre um padrão comum a ser seguido por todos. As primeiras velocidades das memórias DDR3 serão 800 MHz e 1067 MHz, subindo para 1333 MHz e 1667 MHz no futuro. Lembrando que as memórias DDR3, assim como as DDR2 e DDR, transferem dois dados por pulso de clock e estes valores são os clocks nominais. Para obter o clock real, divida estes valores por 2. RDRAM Nas memórias RDRAM, é usado um agrupamento de bancos operando em paralelo para obter uma taxa de transferência ainda mais elevada. São 16 ou 32 bancos, dependendo dos chips. Um típico chip de memória RDRAM opera com dados de 16 bits. Também são comuns os chips de 18 bits. Os dois bits adicionais são usados como paridade, e servem para implementar mecanismos de detecção e correção de erros. A maioria das DRAMs atuais são oferecidas em versões entre 300 e 400 MHz. Para simplificar nossa explicação, consideremos os chips de 400 MHz. Assim como a DDR SDRAM, a RDRAM também realiza duas transferências por cada ciclo de clock, portanto

12 Apostila de Sistema Micro processado - 12 tudo se passa como se a operação fosse em 800 MHz. Esses 800 milhões de transferências por segundo, sendo cada uma de 16 bits (2 bytes), resultam na taxa de transferência de 1,6 GB/s. Note que esta taxa é bem maior que a exigida pela maioria dos processadores: Processador bits clock Banda Pentium III MHz 800 MB/s Pentium III B MHz 1,07 GB/s Athlon MHz 1,6 GB/s Athlon MHz 2,13 GB/s Pentium MHz 3,2 GB/s Um único canal de memória RDRAM oferece uma taxa de transferência suficiente para atender à maioria dos processadores, exceto os mais avançados. O Pentium 4, por exemplo, com seu barramento de 400 MHz e 64 bits, exige 3,2 GB/s, o dobro da taxa de transferência da RDRAM. Portanto nas placas de CPU para Pentium 4, são utilizados dois canais de RDRAM com 1,6 GB/s cada um (dois módulos), totalizando os 3,2 GB/s necessários. Os processadores modernos operam com 64 bits simultâneos, enquanto a RDRAM fornece apenas 16. Cabe ao chipset, que faz a ligação entre o processador e a memória, obter 4 grupos consecutivos de 16 bits vindos da RDRAM, formando os 64 bits exigidos pelo processador. Nas placas de CPU para Pentium 4, são dois canais de 16 bits, ambos a 800 MHz (lembre-se que são na verdade 400 MHz, mas com duas transferências por cada clock). Juntos formam 32 bits por 800 MHz. O chipset faz a composição para 64 bits e 400 MHz, exatamente como exige o Pentium 4. Velocidade da DDR SDRAM O selecionamento da DDR SDRAM começa pelo seu clock, de acordo com o apresentado na tabela abaixo. Note que as denominações DDRxxx são adotadas pelos chips de memória, enquanto nomenclaturas como PCXXXX (PC1600, PC2100, etc.) são usadas para designar módulo. Tipo Clock Taxa de transferência DDR200 / PC MHz 1,6 GB/s DDR266 / PC MHz 2,1 GB/s DDR300 / PC MHz 2,4 GB/s DDR333 / PC MHz 2,7 GB/s DDR400 / PC MHz 3,2 GB/s Memórias DDR SDRAM também podem utilizar diferentes latências do CAS. As versões disponíveis no mercado devem operar com CL=2 ou CL=2,5. Daí surgem as versões DDR266A e DDR266B. Os chips classificados como DDR266A podem operar com CL=2, enquanto os do tipo DDR266B operam com CL=2,5. As placas de CPU que usam este tipo de memória podem ser configuradas de forma automática, na qual o CL é programado de acordo com as informações na EEPROM SPD (Serial Presence Detect), ou então manualmente. INTRODUÇÃO A MICROPROCESSADORES O Microprocessador é o principal componente de um computador. Porém, é importante entender que o desempenho de um computador não é determinado apenas pelo processador, e sim pelo trabalho conjunto de todos os seus componentes: placa mãe, memória RAM, HD, Placa de Vídeo, etc. A primeira característica a considerar num

13 Apostila de Sistema Micro processado - 13 computador é sua unidade central de processamento, que poderá fornecer uma série de indicações sobre o equipamento. A CPU (Central Processing Unit), também pode ser chamada de processador ou microprocessador. Tudo o que acontece num computador provém Do microprocessador, que gerência todos os recursos disponíveis no sistema, seu funcionamento é coordenado pelos programas, que indicam o que deve ser feito e quando. Basicamente, microprocessador executa cálculos como somas e comparações entre números, mas com uma característica muito especial: uma velocidade extremamente elevada. O que as diferenciam é sua estrutura interna e, o mais importante, o fato de cada uma ter seu conjunto de instruções próprio, esse é um dos principais motivos da incompatibilidade entre os computadores. Cada etapa é denomina ciclo de instrução. Este ciclo se repete indefinidamente até que o sistema seja desligado, ou ocorra algum tipo de erro, ou seja, encontrada uma instrução de parada. Podemos dizer que as tarefas de um microprocessador podem ser divididas em duas categorias: Função processamento: Encarrega-se de realizar as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar. Função Controle: É exercida pelos componentes da UCP (UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO), que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle da ação dos demais componentes do sistema de computação. Clock Afinal, o que vem a ser clock? Clock é um sinal usado para sincronizar coisas dentro do computador. Dê uma olhada na Figura 2, onde mostramos um típico sinal de clock: é uma onda quadrada passando de 0 a 1 a uma taxa fixa. Nessa figura você pode ver três ciclos de clock ( pulsos ) completos. O início de cada ciclo é quando o sinal de clock passa de 0 a 1 ; nós marcamos isso com uma seta. O sinal de clock é medido em uma unidade chamada Hertz (Hz), que é o número de ciclos de clock por segundo. Um clock de 100 MHz significa que em um segundo existem 100 milhões de ciclos de clock. Figura 2: Sinal de clock. No computador, todas as medidas de tempo são feitas em termos de ciclos de clock. Por exemplo, uma memória RAM com latência 5 significa que vai levar cinco ciclos de clock completos para começar a transferência de dados. Dentro da CPU, todas as instruções precisam de um certo número de ciclos de clock para serem executadas. Por exemplo, uma determinada instrução pode levar sete ciclos de clock para ser completamente executada. No que diz respeito ao microprocessador interessante é que ele sabe quantos ciclos de clock cada instrução vai demorar, porque ele tem uma tabela que lista essas informações. Então se há duas instruções para serem executadas e ele sabe que a primeira vai levar sete ciclos de clock para ser executada, ele vai automaticamente começar a execução da próxima instrução no 8o pulso de clock. É claro que esta é uma explicação genérica para um processador com apenas uma unidade de execução processadores modernos possuem várias unidades de execução trabalhando em paralelo e podem executar a segunda instrução ao mesmo tempo em que a primeira, em paralelo.

14 Apostila de Sistema Micro processado - 14 Então o que o clock tem a ver com desempenho? Pensar que clock e desempenho são a mesma coisa é o erro mais comum acerca de processadores. Se você comparar dois processadores completamente idênticos, o que estiver rodando a uma taxa de clock mais alta será o mais rápido. Neste caso, com uma taxa de clock mais alta, o tempo entre cada ciclo de clock será menor, então as tarefas serão desempenhadas em menos tempo e o desempenho será mais alto. Mas quando você compara dois processadores diferentes, isso não é necessariamente verdadeiro. Se você pegar dois processadores com diferentes arquiteturas por exemplo, de dois fabricantes diferentes, como Intel e AMD o interior deles será completamente diferente. Como dissemos, cada instrução demora um certo número de ciclos de clock para ser executada. Digamos que o processador A demore sete ciclos de clock para executar uma determinada instrução, e que o processador B leve cinco ciclos de clock para executar essa mesma instrução. Se eles estiverem rodando com a mesma taxa de clock, o processador B será mais rápido, porque pode processar essa instrução em menos tempo. E há ainda muito mais no jogo do desempenho em processadores modernos, pois processadores têm quantidades diferentes de unidades de execução, tamanhos de cache diferentes, formas diferentes de transferência de dados dentro do processador, formas diferentes de processar instruções dentro das unidades de execução, diferentes taxas de clock com o mundo exterior, etc. Como o sinal de clock do processador ficou muito alto, surgiu um problema. A placa-mãe onde o processador é instalado não podia funcionar usando o mesmo sinal de clock.se você olhar para uma placa-mãe, verá várias trilhas ou caminhos. Essas trilhas são fios que conectam vários circuitos do computador. O problema é que, com taxas de clock mais altas, esses fios começaram a funcionar como antenas, por isso o sinal, em vez de chegar à outra extremidade do fio, simplesmente desaparecia, sendo transmitido como onda de rádio. Clock Externo Os fabricantes de processadores começaram a usar, então, um novo conceito, chamado multiplicação de clock, que começou com o processador 486DX2. Com esse esquema, que é usado em todos os processadores atualmente, o processador tem um clock externo, que é usado quando dados são transferidos de e para a memória RAM (usando o chip da ponte norte), e um clock interno mais alto. Para darmos um exemplo real, em um Pentium 4 de 3,4 GHz, estes 3,4 GHz referem-se ao clock interno do processador, que é obtido quando multiplicamos por 17 seu clock externo de 200 MHz. Nós ilustramos esse exemplo na Figura 4.

15 Apostila de Sistema Micro processado - 15 Figura 4: Clocks interno e externo em um Pentium 4 de 3,4 GHz. A grande diferença entre o clock interno e o clock externo em processadores modernos é uma grande barreira a ser transposta visando aumentar o desempenho do computador. Continuando com o exemplo do Pentium 4 de 3,4 GHz, ele tem que reduzir sua velocidade em 17x quando tem que ler dados da memória RAM! Durante esse processo, ele funciona como se fosse um processador de 200 MHz! Diversas técnicas são usadas para minimizar o impacto dessa diferença de clock. Um deles é o uso de memória cache dentro do processador. Outra é transferir mais de um dado por pulso de clock. Processadores tanto da AMD como da Intel usam esse recurso, mas enquanto os processadores da AMD transferem dois dados por ciclo de clock, os da Intel transferem quatro dados por ciclo de clock. Figura 5: Transferindo mais de um dado por ciclo de clock. Por causa disso, os processadores da AMD são listados como se tivessem o dobro de seus verdadeiros clocks externos. Por exemplo, um processador da AMD com clock externo de 200 MHz é listado como tendo 400 MHz. O mesmo acontece com processadores da Intel com clock externo de 200 MHz, que são listados como se tivessem clock externo de 800 MHz. A técnica de transferir dois dados por ciclo de clock é chamada DDR (Dual Data Rate), enquanto que a técnica de transferir quatro dados por ciclo de clock é chamada QDR (Quad Data Rate).

16 Apostila de Sistema Micro processado - 16 Diagrama em Blocos de um Processador Na Figura 6 você pode ver um diagrama em blocos básico de um processador moderno. São muitas as diferenças entre as arquiteturas da AMD e da Intel, e planejamos escrever artigos específicos sobre cada uma delas num futuro próximo. Acreditamos que entender o diagrama em blocos básico de um processador moderno seja o primeiro passo para entender como funcionam os processadores da Intel e da AMD e quais são as diferenças entre eles. clique para ampliar Figura 6: Diagrama em blocos básico de um processador. A linha pontilhada na Figura 6 representa o corpo do processador, já que a memória RAM está localizada fora do processador. O caminho de dados entre a memória RAM e a CPU tem geralmente largura de 64 bits (ou de 128 bits quando é usada configuração de memória dual channel ), rodando ao clock da memória ou ao clock externo do processador, o que for mais baixo. O número de bits usado e a taxa de clock podem ser combinados em uma unidade chamada taxa de transferência, medida em MB/s. Para calcular a taxa de transferência, a fórmula é o número de bits x clock / 8. Para um sistema usando memórias DDR400 em configuração single channel (64 bits) a taxa de transferência da memória será de MB/s, ao passo que o mesmo sistema usando memórias dual channel (128 bits) terá taxa de transferência de memória de MB/s.

17 Apostila de Sistema Micro processado - 17 Todos os circuitos dentro da caixa pontilhada rodam no mesmo clock interno do processador. Dependendo do processador, algumas de suas partes internas podem até mesmo rodar a uma taxa de clock mais alta. Além disso, o caminho de dados entre as unidades do processador pode ser mais largo, isto é, transferir mais bits por ciclo de clock do que 64 ou 128. Por exemplo, o caminho de dados entre a memória cache L2 e o cache de instrução L1 em processadores modernos tem normalmente 256 bits de largura. Quanto maior o número de bits transferidos por ciclo de clock, mais rápida a transferência será feita (em outras palavras, a taxa de transferência será mais alta). Na Figura 5 usamos uma seta vermelha entre a memória RAM e a memória cache L2 e setas verdes entre todos os outros blocos para expressar as diferentes taxas de clock e largura de caminho de dados usadas.

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