Hierarquia de memória

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1 2012-hierarquia de memória 1/17 Hierarquia de memória Memórias Dispositivos para armazenamento e recuperação de dados Variedade de: Tecnologias Desempenho Custo Capacidade Maior desempenho Maior custo Menor capacidade em bits REGISTRADORES CACHE Menor custo Menor desempenho Maior capacidade MEMÓRIA PRINCIPAL MEMÓRIA SECUNDÁRIA Visão do custo, desempenho e capacidade. Base: baixo custo, maior capacidade de armazenamento e menor desempenho. Topo: maior custo, menor capacidade de armazenamento e maior desempenho.

2 2012-hierarquia de memória 2/17 As memórias mais rápidas estão mais próximas da CPU e contêm dados e instruções em processamento. As memórias de menor desempenho e com maior capacidade de armazenamento estão mais afastadas da CPU. e são usadas para armazenamento permanente de dados. Características de Desempenho Tempo de acesso Capacidade de armazenamento Volatilidade Tecnologia Custo. Tempo de acesso Intervalo de tempo decorrido desde o momento que o endereço da informação está disponível no barramento de endereços até o momento que a informação é disponível no barramento de dados Medido em: nanossegundos, microssegundo, milissegundo.

3 2012-hierarquia de memória 3/17 Capacidade Quantidade de informação Bytes: KB (Kilobytes); MB (megabytes), GB (Gigabytes), TB (Terabytes);... Volatilidade (ou não volatilidade) Capacidade de guardar informação após o desligamento do sistema. Tecnologia de fabricação Semicondutores: CI s (Circuitos Integrados) Meios Magnéticos: Fitas, HD s, DD s... Ópticos (CDs,...) Custo. Dólares (ou reais) por bytes (Gigabytes ou Megabytes) Exercício. Estime o custo por Byte dos dispositivos de armazenamento: DD, HD, pen drive, CD, DVD, RAM.

4 2012-hierarquia de memória 4/17 ESTUDO DOS DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA Registros ou registradores Armazenamento da palavra do computador. Alto desempenho Usadas para armazenamento temporário de dados. Alguns registradores na CPU participam do processamento e são acessados por programas. Alguns registradores somente são acessados pela CPU. Características dos registradores: Tempo de acesso: da ordem de 1ns Capacidade em bits: 8/16/32/64. Dependendo do processador. Voláteis III. 3.b - Memória Cache. São memórias rápidas com desempenho muito próximo ao da CPU. Tempo de acesso da ordem de 1 a 5 ns. Capacidade em torno de dezenas de KB para cache L1 e alguns MB para cache L2. Localização próxima à CPU. Dois níveis de cache: L1 (Level 1) e L2 (Level 2). L1 Localizado na própria CPU. L2 - Localizado na placa mãe (próximo à CPU).

5 2012-hierarquia de memória 5/17 A função da memória cachê: Armazenar dados e instruções que estão sendo usadas pela CPU. Alguns dispositivos de armazenamento tambem possuem cache. As memórias secundárias usam o cachê para acelerar a transferência de dados. É um conceito também usado pelo software. Tecnologia das memórias semicondutoras: SRAM e DRAM RAM (Random Access Memory ) Permitem leitura e gravação de dados. Acesso não sequencial: o tempo para gravação ou leitura de dados independe de localização dos dados na Memória. Tecnologias: DRAM e SRAM. DRAM (Dynamic RAM) Pentes de memória dos computadores pessoais. Baseadas em cargas elétricas armazenadas em capacitores, (dispositivos de armazenamento de cargas elétricas). Quando carregados indicam valor lógico UM e quando descarregados indicam valor lógico ZERO.

6 2012-hierarquia de memória 6/17 Refresh Durante o funcionamento da memória há um processo natural de perda de carga elétrica pelos capacitores. Recarga (REFRESH). Restabelecimento da carga executado por hardware a cada milissegundo, causando diminuição na velocidade de operação. Um transistor por bit. SRAM (Static RAM) Mais rápidas que as memórias DRAM Baseadas em processos lógicos (FLIP-FLOP s). Cada bit é implementado com 6 transistores o que implica em: maior custo maior volume maior consumo de energia Por outro lado São mais velozes Não necessitam de refresh. Maior volume e maior aquecimento. As memórias cache baseadas em Flip-Flops. Resumo: A tecnologia DRAM otimiza o espaço físico. É baseadas em células capacitivas. Necessita de REFRESH, que é a recarga elétrica das memórias. Isto causa maior tempo na operação de transferência de dados. Memórias SRAM apresentam melhor desempenho, maior consume, maior custo e maior volume.

7 2012-hierarquia de memória 7/17 Memórias ROMs (Read Only Memory) Não voláteis Aplicadas na configuração de hardware pela BIOS. A BIOS - Basic Input Output System. Programa desenvolvido por fabricantes de placas mãe. Contém: Rotinas de inicialização do sistema e de acesso aos dispositivos de entrada e saída. Classificação. ROM máscara. É a ROM tradicional. Possuem dados e programas gravados pelos fabricantes. Por questão de custo são gravados em grande quantidade. PROM Programmable ROM. Programada (carregada) através de gravadores de ROM. EPROM Erasable PROM. São apagáveis eletronicamente. EEPROM Electric Erasable PROM. Gravadas e regravadas pelo usuário. São conhecidas como memórias FLASH.

8 2012-hierarquia de memória 8/17 Memória de grande capacidade. Memória secundária Memórias de massa ou Armazenamento. HD s (Hard Disk) DD (Disk Drive) CD-ROM. HD (Hard Disk) Winchester (nome usado inicialmente) Capacidade atual em Gigabytes e TeraBytes Baixo custo (alguns centavos por MB) Tempo de acesso em torno de 8 a 10 ms (1 ms = ns) Tecnologia baseada em magnetismo Superfície recoberta com pequenos imãs orientáveis. (fita cassete). O valor do dado está associado à orientação dos pólos. CD-R0M Compact Disk ROM Tempo de acesso em torno de 100 milisegundos. Leitura e gravação óptica através de radiação IR (infra vermelho) Capacidade de armazenar 650MB ou 74 minutos de áudio (CD-DA).

9 2012-hierarquia de memória 9/17 Dispositivos do sistema Gabinete Onde está fixada a placa-mãe (Motherboard). Na placa-mãe estão conectados: Dispositivos de armazenamento CPU Placas controladoras Fontes de alimentação Slots diversos,... Nota As também dispositivos On-Board (inclusos na própria placa): Controladoras IDE1 e IDE2 (conexão de HD, DD, CD-ROM,...); Vídeo; Som; Fax; Rede; USB, saídas paralela e serial. Estabilizadores de tensão. Fixa a tensão nominal em 115V Minimiza picos de tensão; Pode incluir filtro de rede Potencial nominal de 800 a 100 Watts. O Watt é uma unidade de POTÊNCIA ELÉTRICA. Maior valor em Watts indica maior consumo de energia elétrica do dispositivo.

10 2012-hierarquia de memória 10/17 Consumo de energia (KW_H). Medida em KW_H (KiloWatt_Hora) Informa a quantidade da energia gasta pelo equipamento Cálculo do valor da conta Eletropaulo O Kilo watt hora é a energia consumida por um dispositivo de potencia 1 KW (quilowatt) ligado durante uma hora. O cálculo da energia envolve o conhecimento da potência do dispositivo e do tempo em operação. Exemplos (aproximados) de dispositivos e potências correspondentes: Lâmpada incandescente (residencial): 100 W (100 watts) Lâmpada fluorescente: 40W (40 watts) Ferro elétrico: 800W Microcomputador e monitor: 300W Chuveiro elétrico 6000W=6KW(inverno) 4000W = 4KW(verão) Consumo para alguns componentes. Exemplos Watt 486 5Watts Athlon 35Watts (em área de 1,1 X 1,1 cm 2 ) Celeron 266 MHz 16 W Athlon 650 MHz 54 W Trident W Nvidia GeForce DDR 40 W

11 2012-hierarquia de memória 11/17 Nota: Valores em KW com valores nominais fornecidos pelos fabricantes em podem ser convertidos em KWatts dividindo por Exemplos: 6000 W = 6 KW; 4000 W = 4 KW; 200W = 0,2 KW Fonte de alimentação Fornecem: 5Volts para os dispositivos eletrônicos 12Volts para os dispositivos mecânicos 50 a 55% da potencia em 12 Volts (HD, CD-ROM, DD, Cooler); 40 a 45% da potencia em 3,5 e 5 Volts (placa mãe; processador, RAM) CÁLCULO DO CONSUMO DE UM EQUIPAMENTO Para calcular o consumo de energia de um aparelho basta multiplicar a potência do aparelho (nominal) em KW pelo tempo em operação em horas. Energia (KW-h) = Potência (KW). tempo (Horas) Exemplo. Considere uma sala de aula. Estime o gasto de energia mensal em iluminação. Considere 16 lâmpadas de 60 Watts ligadas durante 6 horas por dia durante 30 dias por mês. Solução: Potencia total: 16 * 60 W = 960 W = 0,96 KW Tempo total = 6 horas * 30 = 180 horas Energia (KW-h) = 0,96 (KW). 180(Horas) Energia (KW-h) = 172,8 KW-h

12 2012-hierarquia de memória 12/17 Exercício. Considere o custo do KW-h cobrado pela distribuidora de energia=r$0,24. Qual o valor gasto em energia durante um mês: Resposta: 172,8 * 0,24 (em R$)= R$ 41,48 2 Considere um laboratório de informática com 36 máquinas e dois aparelhos de ar condicionado (potencia aproximada de 4000W). Calcule o consumo de energia em um mês. 3 Nos exercícios anteriores calcule o gasto mensal destes aparelhos em real. Considere que é cobrado R$0,24 por cad KW-h consumido. A unidade de potencia (Watt) pode ser apresentada como Volt-Ampere. Esta forma de representação se deve ao fato que muitos equipamentos apresentam uma capacidade de consumir (ou produzir - no caso de geradores) corrente elétrica. Neste caso a potencia elétrica pode ser calculada pelo produto da tensão do aparelho (voltagem elétrica) pela corrente consumida (ou fornecida pelo gerador ou fonte) em Ampéres. Potencia (em Watts ou volt Ampére) = Tensão elétrica (em volts). corrente elétrica (em Ampére).

13 2012-hierarquia de memória 13/17 Calcule a potencia de uma fonte ATX (fornecimento): 20 Ampéres na tensão de 12Volts, e 30 Ampéres na tensão de 5 volts Solução: Dispositivos eletromecânicos: 12 Volts * 20 Ampéres = 240 W. Dispositivos eletrônicos: 5 Volts * 30 Ampéres = 150 W. Potencia total: 390 Watts Estabilizadores Função: Corrigir as variações da tensão da rede elétrica. O tempo de ação dos estabilizadores está em torno de 1 a 2ms (milésimo de segundos). Filtro de linha Função: Minimizar os efeitos de ruídos elétricos, gerados por aparelhos elétricos, raios,... NO BREAK Operam com baterias próprias e fornecem tensão estável (estabilizada), filtro e proteção contra a queda de energia por certo período. Consumo aproximado para computadores (Watts) PC: 200 a 350 Servidor: 300 a 700 Monitor: 80 a 200 Scanner: 100 a 250 MODEM: 20 a 50 Plotter: 120 a 500 Impressora Matricial: 30 a 230 DeskJet : 15 a 50 Laser: 600 a 1200

14 2012-hierarquia de memória 14/17 Exemplo de consumo (Watts): PC (250) + DeskJet (55) + Scanner Genius (38) + Monitor Plex 15 (80). Total: 423 (Watts) Conceitos, definições e características. CHIPSET Conjunto de chips (CIs Circuitos Integrados) que comandam o fluxo de dados que fluem nos barramentos para comunicação entre dispositivos como CPU, memória e outros. Exemplos: Padrões de barramentos ISA, AGP, PCI, Interfaces Portas (ports - mecanismos de comunicação CPU/dispositivos periféricos) memórias cache Desenvolvidos para arquiteturas de computadores específicas. Exemplo. Pentium II: i440fx, i440lx, i440 EX, i440bx

15 2012-hierarquia de memória 15/17 BIOS (Basic Input Outpu System) Primeira camada entre o Sistema Operacional e o hardware Reconhecer dispositivos padrão do hardware Iniciar o BOOT Fornecer informações para funcionamento do sistema. POST (Power On Self Test) Rotina básica para: Contar memória disponível Identificar dispositivos Plug and Play Realizar teste de componentes instalados. Nota: A tecla (pause/break) pode ser acionada para visualização de relatório do sistema gerado pelo POST durante a inicialização do sistema (Boot). Na ocorrências de problemas com o hardware, o POST emite sinais sonoros com indicações sobre o tipo de problema. Jumpers Peças metalizadas para permitir a passagem de corrente elétrica Operam como um interruptor Habilitar ou desabilitam não recursos da motherboard tais como voltagem, velocidades, configurações,...

16 2012-hierarquia de memória 16/17 Monitoramento de funções (hardware monitoring) Informações sobre: Temperatura do processador Velocidade do cooler Tensão fornecida, etc. Quantidade de transistores por dispositivos (aproximadamente): CPU 486: 1,2 milhões de transistores CPU Athlon: 37 milhões de transistores; Memória de 64 MB: 512 milhões de transistores; Memória de 128 MB: 1 bilhão de transistores. Processamento, capacidade de memória e a lei de Moore Lei de Moore (intel.com.research/silicon/moorelaw.html ) o número de transistores e como consequência a capacidade de CI s dobra num período de 1,5 a 2 anos, mantendo o mesmo preço e volume no integrado Impacto na informática: Aumento do clock produz maior desempenho da CPU O tempo de acesso da memória principal não evolui na mesma velocidade A velocidade de processamento da CPU é maior que o tempo que a memória principal pode abastecer a CPU com novas instruções. Isto ocasiona diminuição na velocidade de processamento. Exemplo: o tempo de resposta da memória principal está em torno de 10 ns enquanto o tempo de execução de uma instrução é menor que 1ns.

17 2012-hierarquia de memória 17/17 A quantidade de instruções executadas pela CPU na unidade de tempo e a capacidade de memória dobram a cada 18 meses A velocidade de acesso (e fornecimento) aos dados da memória principal aumenta o desempenho a taxa de 10% ao ano. Nota. O tempo de acesso é o intervalo de tempo de decorrido desde o instante que foi iniciado o acesso à memória principal (quando a CPU passa o endereço do dado ao hardware controlador de memória) até que a informação requerida tenha sido transferida da memória para a CPU. 4 A verificação da lei de Moore pode ser observada graficamente ou tabelas que mostram a evolução de processadores quanto a quantidade de transistores no chip correspondente. Tecnologia Ano Número de transistores Pentium Pentium II Pentium III Pentium IV Adendos 1. Consumo de energia de equipamentos eletrônicos. TV LED W TV LCD W TV Plasma W. Monitor Sync Master convencional: 47W P2370 : 32W 2. A iluminação é responsável por 12% do consume de energia de uma residência. As lâmpadas incandescentes são as vilãs deste consumo: somente 5 a 10% de energia consumida pelas mesmas são convertidas em energia luminosa. As lâmpadas fluorescentes tem eficiência em torno de 50 a 80%. Assim o caminho para economizar é trocar as lâminas incandescentes por fluorescentes. (Info exame no. 282: Fora tungstênio ).

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