O que é a memória? Analogia: Biblioteca. Para que serve a biblioteca / bibliotecária?

Transcrição

1 O QUE É A MEMÓRIA?

2 O que é a memória? Analogia: Biblioteca Para que serve a biblioteca / bibliotecária?

3 O que é a memória? Simples: armazena/recupera dados numéricos Para uso posterior! Na prática... Dispositivo físico capaz de armazenar a configuração elétrica de um conjunto de fios" Configuração elétrica: padrão de bits Logo, memória armazena dados

4 COMO FUNCIONA A MEMÓRIA?

5 Com se acende uma lâmpada? Acender uma lâmpada...?

6 Com se acende uma lâmpada? Acender uma lâmpada...?

7 Com se acende uma lâmpada? Acender uma lâmpada...? Se passa corrente, a lâmpada acende!

8 Com se acende uma lâmpada? Acender uma de várias lâmpadas...?

15 Com se acende uma lâmpada? Acender uma de várias lâmpadas...? Endereços Seletor de Endereços

16 Com se acende uma lâmpada? Acender uma de várias lâmpadas...? Endereços O que isso tem a ver com a memória? Seletor de Endereços

17 Funcionamento Simplificado Leitura da Memória Endereço Acionamento para Leitura Memória Seletor Interruptor

18 Funcionamento Simplificado Leitura da Memória Endereço Acionamento para Leitura Memória Dado Sinal de Controle

19 Funcionamento Simplificado Escrita na Memória Endereço Acionamento para Escrita Memória Dado

20 Funcionamento Simplificado Escrita na Memória Endereço Acionamento para Escrita Memória Dado

21 Funcionamento da Memória Palavra da CPU: Quantos bits ela espera ler em um endereço Palavra da Memória: Quantos bits ela guarda por endereço Palavras podem ter tamanhos diferentes 8 bits 6 bits 32 bits 64 bits...

22 Funcionamento da Memória Palavra precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... CPU Memória

23 Funcionamento da Memória Palavra precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... E se CPU tem 8 bits e memória é de 4? CPU Memória

24 Funcionamento da Memória Palavra" precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... E se CPU tem 8 bits e memória é de 4? CPU Memória

25 Funcionamento da Memória Palavra" precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... E se CPU tem 8 bits e memória é de 4? CPU Memória

26 Funcionamento da Memória Palavra precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... E se CPU tem 8 bits e memória é de 4? Usa-se duas memórias em paralelo! Juntas, elas terão 4+4 = 8 bits (fios) por posição CPU Memória Memória 2

27 Funcionamento da Memória Palavra" precisa ser compatível com a CPU CPU: dados de 6 bits Memória: palavra de 6 bits Se CPU tem 8 bits e memória é de 8 bits... E se CPU tem 8 bits e memória é de 4? Usa-se duas memórias em paralelo! Juntas, elas terão 4+4 = 8 bits (fios) por posição CPU Memória Memória 2

28 Funcionamento da Memória Tempo de Reposta: Configuração x Reposta Para funcionamento ideal Velocidade Memória e CPU: compatíveis! Memória Rápida = Tempo de Resposta baixo Demora na Resposta pela Memória" TEMPO DE RESPOSTA INTERVALO ENTRE DUAS LEITURAS

29 Funcionamento da Memória Por que não usar memórias muito rápidas? MUITO caras! E memórias com mesma velocidade da CPU? Também são caras! O que fazer?

30 HIERARQUIA DE MEMÓRIA

31 Toda a memória precisa ser rápida? Quantidade de dados armazenado? GIGANTESCA Mas... esses dados são usados o tempo todo? Maior parte do processamento... Ocorre repetindo tarefas Usando alguns poucos dados Conclusão: Pouca memória para executar... Muita memória para armazenar...

32 Toda a memória precisa ser rápida? Isso deu uma ideia para os engenheiros... Memórias diferentes para cada uso! Velocidades diferentes = Custos diferentes Maximizar desempenho Minimizar custo Quatro níveis de memória

33 Tipos de Memória x Uso Registradores (Armazenamento Interno) Armazenamento de curto prazo Uso intensivo pelo computador Usa-se: memória volátil extremamente rápida Custo: R$ por bit muito alto Memória Principal (Armazenamento Interno) Armazenamento de médio prazo Uso mediano pelo computador Usa-se: memória volátil de velocidade média Custo: R$ por bit médio

34 Tipos de Memória x Uso Memória Secundária (Armazenamento Externo) Armazenamento de longo prazo Pouco usados pelo computador Usa-se: memória não volátil lenta Custo: R$ por bit baixo Memória de Segurança (Armazenamento de Segurança) Armazenamento de longuíssimo prazo Talvez nunca sejam usados pelo computador Usa-se: memória não volátil extremamente lentos Custo: R$ por bit extremamente baixos

35 Tipos de Memória x Uso Ocorre transferência de um tipo para outro? Quando necessário! Registradores Solicitação de Dados Memória Principal Carregamento Programa Memória Secundária Recuperação de Backup Memória de Segurança

36 Tipos de Memória x Uso Registradores x Memória Principal Excessiva diferença de velocidade Memória Cache (Entre Regist. e Mem. Principal) Armazenamento de curto prazo Uso intensivo pelo computador Usa-se: memória volátil muito rápida Custo: R$ por bit alto Cache: Analogia do puxa-saco" do cafezinho Podem existir vários níveis: L, L2, L3...

37 Memória Cache Onde ela entra? Registradores Solicitação de Dados Cache Previsão de Leitura Memória Principal Carregamento Programa Memória Secundária Recuperação de Backup Memória de Segurança Registradores Cache Memória Principal Memória Secundária Memória de Segurança

38 Memória Cache Onde ela entra? Registradores Cache Memória Principal Memória Secundária Memória de Segurança

39 TIPOS DE MEMÓRIA

40 Tipos de Memória Existem vários tipos de memória Diferenciação mais básica... ROM: Read Only Memory somente de leitura RAM: Random Access Memory - leitura e escrita Quantidade de acesso simultâneos Um acesso por vez Memórias multi port (muito caras!) Existem diversos outros subtipos...

41 Tipos de Memória Usadas apenas como Memória Interna Tipo RAM Estática (SRAM) RAM Dinâmica (DRAM) Categoria Escrita e Leitura Escrita e Leitura Apagamento Eletricamente Eletricamente Escrita Eletricamente Eletricamente Volatilidade Volátil Volátil Palavra/Bloco Bytes Bytes Velocidade Pode ser rápida como CPU Média Usos Registradores, cache, memória principal memória principal Custo por Bit De alto a muito alto Médio

42 Tipos de Memória DRAM: refresh Tempo entre Leituras = Prejudicado pelo Refresh Circuitos mais complexos Mais baratas SRAM: não precisa de refresh Tempo entre Leituras e de Resposta menores Circuitos mais simples (basta alimentar!) Mais caras

43 Tipos de Memória Usadas como Memória Interna ou Externa Tipo Apenas Leitura (ROM) ROM Programável (PROM) PROM Apagável (EPROM) Categoria Apenas Leitura Apenas Leitura Principalmente Leitura EPROM Apagável Eletricamente (EEPROM) Principalmente Leitura Apaga? Impossível Impossível Luz U.V. Eletricamente Escrita Máscaras Eletricamente Eletricamente Eletricamente Volátil? Não Volátil Não Volátil Não Volátil Não Volátil Palavra Bytes Bytes Bytes Bytes ou Blocos Vel. Média/Rápida Média/Rápida Rápida p/ Ler Rápida p/ Ler Usos Mem. Principal / Secundária Mem. Principal / Secundária Mem. Principal / Secundária Mem. Principal / Secundária R$ / Bit Muito Baixo Baixo Baixo Médio

44 Tipos de Memória Usadas basicamente como Memória Externa Tipo FLASH RAM Disco Magnético Disco Óptico Fita Magnética Categoria Principalmente Leitura Leitura e Escrita Leitura (e Escrita) Leitura e Escrita Apaga? Eletricamente Magneticamente Não / Óptico Magneticamente Escrita Eletricamente Magneticamente Não / Óptico Magneticamente Volátil? Não Volátil Não Volátil Não Volátil Não Volátil Palavra Blocos Blocos Blocos Blocos Vel. Média/Lenta Lenta Muito Lenta Extremamente Lenta Usos Memória Secuntária Memória Secundária Memória Secundária e Segurança Memória Secundária e de Segurança R$ / Bit Médio Baixo Muito Baixo Extremamente Baixo

45 ACESSO REAL À MEMÓRIA

46 Funcionamento da Memória Esquema da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Dado

47 Funcionamento da Memória Esquema da Memória A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

48 Funcionamento 8 posições deda byte Memória cada... Memória de 8 bytes! Esquema da Memória A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

49 Funcionamento da Memória Escrita na Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Dado

51 Funcionamento da Memória Escrita na Memória: Exemplo Escrevendo 53 (b) no endereço 5 (b) A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

55 Funcionamento da Memória 53 armazenado Escrita na Memória: Exemplo Escrevendo n 53 a ( P o s iç b ã ) o no 5 endereço 5 (b) A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

56 Funcionamento da Memória Leitura da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

57 Funcionamento da Memória Leitura da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Dado

58 Funcionamento da Memória Leitura da Memória: Exemplo Lendo endereço 5 (b) A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

63 Funcionamento da Memória Leitura da posição 5 recupera... Leitura da Memória: Exemplo Lendo en de re ço 5 ( b ) b = 53 A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

64 Funcionamento da Memória Nomenclatura Barramento de Endereços Barramento de Controle Barramentos? D A A A2 MREQ R W Memória D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Barramento de Dados

65 CONCLUSÕES

66 Resumo A memória é um dispositivo que armazena e recupera sinais elétricos, chamados bits Existem diversos tipos de memória A memória precisa de um endereço e um sinal de controle para operar O acesso à memória principal é feito através do barramento do Sistema

67 PERGUNTAS?

68 RECORDANDO: ACESSO REAL À MEMÓRIA

69 Funcionamento da Memória Esquema da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Dado

76 Funcionamento da Memória 53 armazenado Escrita na Memória: Exemplo Escrevendo n 53 a ( P o s iç b ã ) o no 5 endereço 5 (b) A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

77 Funcionamento da Memória Leitura da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

78 Funcionamento da Memória Leitura da Memória Endereço Controle A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Dado

84 Funcionamento da Memória Leitura da posição 5 recupera... Leitura da Memória: Exemplo Lendo en de re ço 5 ( b ) b = 53 A A A2 MREQ R W Memória D D D2 D3 D4 D5 D6 D7

85 Na prática... Exemplo de documentação de memória

86 Funcionamento da Memória Nomenclatura Barramento de Endereços Barramento de Controle Barramentos? D A A A2 MREQ R W Memória D D2 D3 D4 D5 D6 D7 Barramento de Dados

87 BARRAMENTOS DE SISTEMA

88 Barramentos de Sistema Computador: 3 componentesfundamentais Interligados por 3 barramentos Endereços Dados Controle

89 Barramentos de Sistema Cada barramento: conjunto de fios Comunicação entre dois componentes Funções Diferentes Barramento de Endereços: Selecionar endereço de memória ou do dispositivo desejado Barramento de Dados: Informação a ser transferida entre componentes Barramento de Controle: Configurar quais dispositivos se comunicarão

90 Barramentos de Sistema Quem controla o barramento? Usualmente: CPU é dona do barramento MREQ: Sinal que liga a memória IORQ: Sinal que liga dispositivos A~An: Indica endereço do dado D~Dn: Dado sendo transferido Mas o funcionamento dos dispositivos e CPU precisa ser sincronizado!

91 Barramentos de Sistema Sincronia: relógio (clock) Tic-Tac, Tic-Tac, Tic-Tac... O clock orienta o mestre do barramento Usualmente a CPU O mestre do barramento comanda os sinais para operar os escravos do barramento Usualmente a memória e outros dispositivos O mestre dá uma ordem... E espera n ciclos de clock pela resposta

92 Sincronia de Barramento: Clock Gerador do Clock : Cristal de Quartzo Emite um sinal pulsante em intervalos constantes Oscilador de Cristal ns Lógico (+5V) Lógico (V)

93 Sincronia de Barramento: Clock Oscilador de Cristal ns s X ͳ. ͳ ͳͳ ͳͳ ଽ ns ciclo X ciclos 8 ciclos por segundo = MHz

94 Na prática... Exemplo de CPU / Barramento Quantos bits de dados? Quantos bits de endereço?

95 BARRAMENTOS SÍNCRONOS

96 Barramentos Síncronos Cada dispositivo/memória tem sua própria velocidade Diferentes números de ciclos para responder Como é preciso haver sincronia... Tabelas de temporização para as CPUs Os equipamentos dispositivos têm que ser projetados de acordo com essas tabelas de sincronização Vejamos um exemplo!

97 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória

98 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória Ciclo T CPU coloca endereço no MAR CPU aciona MREQ e RD

99 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória Ciclo T 2 CPU espera pela resposta da memória

100 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória Ciclo T 3 CPU lê o dado CPU desativa MAR, MREQ e RD

101 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória

102 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória Por que existe o ciclo T 2, se nada acontece?

103 Barramentos Síncronos Mapa de Sinais da Leitura de Memória O que ocorre se a memória não tiver colocado o dado no barramento até este instante?

104 BARRAMENTOS EM PONTE

105 Barramentos em Ponte Muitas vezes precisamos ligar dispositivos que operam em clocks diferentes Exemplo: placa PCI: 33MHz CPU intel: ~3GHz Como compatibilizar? WAIT STATES "Espera aí, dona CPU!" Wait é um pino da CPU que paralisa" a CPU Alguém precisa controlar

106 Barramentos em Ponte Quem faz isso é, usualmente, uma ponte CPU 3GHz Memória Cache Memória RAM 4MHz 8 MHz Ponte Norte 2MHz Vídeo AGP/PCIx 33MHz Ponte Sul Ethernet Sata Ponte PCI-ISA 8.33Mhz Mouse

107

108 EXERCÍCIOS

109 Exercício Sabe-se que, em um processador, um programa com. instruções sequenciais gasta. ciclos de clock. Considerando um clock de 5MHz, qual o tempo médio de execução de cada instrução, em micro segundos?

110 Exercício Sabe-se que, em um processador, um programa com. instruções sequenciais gasta. ciclos de clock. Considerando um clock de 5MHz, qual o tempo médio de execução de cada instrução, em micro segundos? 5MHz 5 milhões de ciclos por segundo ciclo = / 5.. segundos = 2* -7 s ciclos = * 2 * -7 = 2* -6 = 2 μs

111 CONCLUSÕES

112 Resumo O acesso a memória é feito através do barramento do sistema O barramento do sistema interliga todos os dispositivos, que se comunicam em sincronia Barramentos em velocidades distintas podem se comunicar através das pontes

113 Funcionamento da CPU Busca Instrução: CPU lê a memória em busca do que deve fazer Entrada CPU Saída Memória

114 Funcionamento da CPU Lê entrada: Supondo que a instrução indica a leitura de um dado de entrada, CPU lê entrada Entrada CPU Saída Memória

115 Funcionamento da CPU Busca Instrução: CPU lê a memória em busca do que deve fazer com dado lido Entrada CPU Saída Memória

116 Funcionamento da CPU Cálculos: Supondo uma instrução de cálculo, a CPU realiza a operação Entrada CPU Saída Memória

118 Funcionamento da CPU Armazena dado: Supondo que a instrução solicitava armazenamento do dado na memória, guarda o mesmo na memória Entrada CPU Saída Memória

120 Funcionamento da CPU Apresenta saída: Supondo que a instrução indica que um dado deve ser apresentado ao usuário, CPU escreve na saída Entrada CPU Saída Memória

121 Partes da CPU Até agora: CPU como um bloco A partir de agora: CPU tem duas partes Unidade Lógica Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) Unidade Lógica Aritmética Processa os cálculos Unidade de Controle Controla o fluxo do programa Vamos estudar melhor a CPU

122 O PROCESSADOR E OS REGISTRADORES

123 O Processador e os Registradores Analogia: Dois funcionários - ULA (tradutor) e UC (auxiliar) Objetivo: Traduzir um livro Limitações: Funcionários desmemoriados Funcionários em um andar Livro a ser traduzido no andar de cima

124 O Processador e os Registradores Analogia: Dois funcionários UC ULA Barramento Memória

125 O Processador e os Registradores AInastlrouçgãioa?: Dois funcionários

126 O Processador e os Registradores Analogia: Dois funcionários

129 O Processador e os Registradores Analogia: Dois funcionários ADD

134 O Processador e os Registradores Analogia: Dois funcionários 7

140 O Processador e os Registradores Todos os elementos da analogia existem na prática ULA, UC, Cache... mas e os papéis? Papéis: registradores Pequenas memórias internas à CPU Por que existem registradores? ULA não tem contato com a memória principal... ULA só faz cálculos com valores nos registradores UC é responsável por transferir dados das diversas origens para os registradores

141 O Processador e os Registradores Diagrama Registradores A B C D ULA D D I UC D & I C a c h e D & I M e m ó r i CPU a

142 O Processador e os Registradores Procedimento de execução: UC busca dado na origem (memória, cache, dispositivo) UC armazena informação em um registrador UC comanda que ULA processe ULA lê informação do registrador e processa ULA armazena resultado em um registrador UC transfere dado do registrador para o destino (memória, cache, dispositivo)

143 O Processador e os Registradores Diagrama A ULA Registradores D B C D I UC D D & I C a c h e D & I M e m ó r i CPU ADD A,B LD B,2 a