Introdução Tipos de memória Memória Cache. Cap. 4 - Memórias. Arquitectura de Computadores 2010/2011 Licenciatura em Informática de Gestão

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1 Cap. 4 - Memórias Arquitectura de Computadores 2010/2011 Licenciatura em Informática de Gestão Dora Melo (Responsável) Originais cedidos gentilmente por António Trigo (2009/2010) Instituto Superior de Contabilidade e Administração de Coimbra Dora Melo (2010/2011) 1 / 40

2 1 Introdução Importância da memória Hierarquia da memória Funções Caracter ísticas Detecção e correção de erros 2 Tipos de memória Memória ROM Memórias RAM 3 Memória Cache Introdução T écnicas de pesquisa T écnicas de escrita Dora Melo (2010/2011) 2 / 40

3 Importância da memória Introdução Memória é o termo utilizado para designar o componente ou componentes onde é guardada a informação necessária ao funcionamento do computador; Sem a memória o processamento não seria poss ível, não haveria local para guardar, ainda que temporariamente, os programas e os dados durante o respectivo processamento; Em grande medida, a memória é também responsável pelo rendimento do sistema informático, já que se for usada memória muito lenta o processador terá de esperar muito tempo pelos dados que solicitou. Assim, quanto mais rápida melhor será a performance do sistema informático. Dora Melo (2010/2011) 3 / 40

4 Hierarquia da memória Introdução O conceito de memória presente na máquina de Von Neumann mantém-se no computador moderno, mas deixou de ser uma unidade homog énea, coexistindo hoje diversos tipos de memória, cada um com diferentes caracter ísticas de capacidade, densidade, preço e frequ ência de operação, cuja quantidade e localização depende da relação preço/desempenho; Se o preço/desempenho fossem irrelevantes, provavelmente os computadores só teriam um tipo de memória; Assim é preciso fornecer ao processador um sistema de memória cujo desempenho lhe pareça ser o da memória mais rápida existente no sistema informático; Solução: hierarquia de memória. Dora Melo (2010/2011) 4 / 40

5 Hierarquia da memória Princ ípio da localidade A hierarquia de memória tira partido do princ ípio da localidade e da relação custo/desempenho das tecnologias de memória; O princ ípio da localidade diz que os programas tendem a usar as instruções e os dados que foram utilizados recentemente. Uma regra muito divulgada diz que um programa despende 90% do seu tempo de execução com apenas 10% do código. Assim, é poss ível prever com algum grau de certeza quais as instruções e os dados que um programa está para usar, com base no passado recente de utilização. A localidade temporal e a localidade espacial: A primeira afirma que os itens recentemente utilizados serão mais provavelmente acedidos no futuro A segunda afirma que os itens cujos endereços são próximos tendem a ser utilizados em conjunto. Dora Melo (2010/2011) 5 / 40

6 Hierarquia da memória Hierarquia da memória Dora Melo (2010/2011) 6 / 40

7 Funções Funções da memória Memória cache: memória rápida cujo funcionamento se baseia no princ ípio da localidade e que pesquisa os itens de que o processador necessita; Memória principal: ligada ao barramento de memória da motherboard recebe as instruções de leitura vindas do processador através do barramento de endereços; Memória de massa ou secundária: a informação que guarda não pode ser directamente acedida pelo processador, passando primeiro pela memória principal; Memória virtual: h íbrido entre a memória principal e a memória secundária, uma vez que é utilizada parte do disco r ígido como se fosse memória principal do sistema. Dora Melo (2010/2011) 7 / 40

8 Caracter ísticas Caracter ísticas da memória Tempo de acesso: tempo médio entre a instrução de leitura e a disponibilização dos dados; Largura de banda interna: número de bytes transferidos num intervalo de tempo (MB/s). Os buffers podem aumentar essa largura de banda; Densidade (tamanho) de armazenamento: número de bytes por unidade de volume; Custo por capacidade armazenada: preço em função do espaço de armazenamento; Leitura/Escrita: Capacidade de leitura/escrita das memórias. Em regra geral todas permitem ler, mas nem todas permitem escrever; Volatilidade: Capacidade da memória reter a informação indefinidamente. Dora Melo (2010/2011) 8 / 40

9 Caracter ísticas Caracter ísticas dos principais tipos de memória Dora Melo (2010/2011) 9 / 40

10 Detecção e correção de erros Detecção e correção de erros Embora raros, os erros no armazenamento de dados existem e podem ter consequ ências desastrosas, especialmente se ocorrem em sistemas cr íticos (servidores); A correcção de erros é a técnica utilizada para resolver este problema. Os sistemas de correcção de erros adicionam bits redundantes de forma dotar um pacote de dados com uma certa estrutura, que caso seja corrompida permite a detecção/correcção dos erros. Existem duas técnicas: Paridade; Error Correcting Code (ECC). Dora Melo (2010/2011) 10 / 40

11 Detecção e correção de erros Paridade Detecta erros de um bit dentro de um byte Consiste na adição de mais um bit para cada byte de memória, que passa a ter 9 bits, tendo o último a função de diagnosticar erros nos dados. Construção da palavra de 9 bits: 1 Conta o numero de bits 1 de cada byte; 2 Se for par, o bit de paridade é 1; 3 Se for ímpar, o bit de paridade é 0. Caso seja detectado na RAM, o sistema reinicia para evitar que o erro se propague. O utilizador recebe um BSOD (Blue Screen of Dead - ecrã azul no Windows com erro fatal); Se houver 2 bits corrompidos, este método não funciona. Deve usar-se outro mais robusto. Dora Melo (2010/2011) 11 / 40

12 Detecção e correção de erros ECC Esta técnica permite: Detectar e corrigir ocorrências de todos os erros num bit; Detectar todos os erros de 2 bits; Detectar alguns erros de 3 ou mais bits. O circuito ECC utiliza vários bits extra para guardar um código que descreve a sequência de bits numa palavra; Funcionamento: Numa operação de escrita na memória, ambos os tipos de bits (dados e código ECC) são armazenados na memória como no método da paridade; Detectar todos os erros de 2 bits; Na leitura dos dados da memória, o controlador de memória gera um novo código ECC a partir dos mesmos bits de dados e utiliza o mesmo algoritmo para fazer uma comparação com o código armazenado, inferindo sobre a corrupção ou não dos bits de dados. Dora Melo (2010/2011) 12 / 40

13 Introdução As memórias dividem-se essencialmente em dois grupos: Memória primária, principal ou central, que é a memória que se encontra em contacto mais directo com o CPU, fornecendo-lhe as instruções e os dados com que este opera e dele recebendo os dados resultantes do processamento; Existem três tipos de memórias primárias: Memórias ROM (Read Only Memory); Memórias RAM (Random Access Memory); Memórias Cache. Memória secundária ou de massa, que consiste em suportes de armazenamento de informação que interessa guardar para além do tempo em que é utilizada na memória principal, como sejam, os discos r ígidos, CDs, etc. Dora Melo (2010/2011) 13 / 40

14 Memória ROM Memória ROM A memória ROM (Read Only Memory), como o próprio nome indica é uma memória só de leitura, não volátil, normalmente utilizada nos PCs para guardar o BIOS. De entre os diferentes tipos de memórias ROM temos: ROM - memória só de leitura, pois o processo de escrita é realizado uma só vez pelo fabricante; PROM (Programmable ROM) - memória de leituras programáveis. São adquiridas no estado virgem e só podem ser escritas uma vez; Dora Melo (2010/2011) 14 / 40

15 Memória ROM Memória ROM (continuação) EPROM (Erasable Programmable ROM) - memória de leitura reprogramável. Permite a reprogramação, desde que seja previamente apagada por exposição a uma radiação de luz ultra violeta; EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) - similar à anterior mas possui uma tecnologia que permite que o seu conteúdo seja apagado electricamente; FLASH ROM, evolução da EEPROM, com o mesmo tipo de funcionalidade. Dora Melo (2010/2011) 15 / 40

16 Memória ROM Shadow ROM Shadow ROM ou Shadow RAM É uma técnica de transferência de informação do BIOS para a memória Cache e/ou RAM. Esta técnica é utilizada pelo facto de as memórias ROM terem tempos de acesso mais elevados (são mais lentas) que as memórias Cache ou RAM. Pode ser activada através da opção use shadow BIOS no programa de configuração do BIOS. Dora Melo (2010/2011) 16 / 40

17 Memórias RAM Tipos de memória RAM As diversas tecnologias de memória RAM diferem geralmente nas temporizações de acesso e nas operaçõs de leitura e escrita. Existem dois tipos de memória RAM: SRAM (Static RAM); DRAM (Dynamic RAM). Dora Melo (2010/2011) 17 / 40

18 Memórias RAM Memória SRAM É constitu ída por circuitos flip-flop (apenas trans ístores); Não necessita de refrescamento (acesso periódico para manutenção de dados). É mais rápida que a DRAM (Tempo de acesso inferior); É mais cara que a DRAM; Por ser mais dispendiosa é utilizada apenas para memória cache: L1 e L2. Dora Melo (2010/2011) 18 / 40

19 Memórias RAM Tipos de memória DRAM A memória DRAM divide-se nos seguintes tipos: DRAM regulares; FPM (Fast Page Mode); EDO (Extended Data Output); BEDO (Burst Extended Data Output); SDRAM (Synchronous DRAM); DDR (Double Data Rate), DDR2 e DDR3; RDRAM (Rambus DRAM); VRAM (V ídeo RAM); GDDR (Graphics DDR), GDDR2, GDDR3, GDDR4 e GDDR5. Dora Melo (2010/2011) 19 / 40

20 Memórias RAM DRAM regulares Memória ass íncrona; Primeiro tipo de memórias utilizadas em PCs; Utiliza o encapsulamento DIP; Começou por ser fabricada com tempos de acesso de 150ns, tendo sido posteriormente desenvolvidas versões a 120ns, 100ns e 80ns, utilizadas nos 286; Constitu ída por trans ístores e condensadores (permitem o refreshing ou alimentação electrónica); Temporizações de acesso de rajada (número de cliclos): Dora Melo (2010/2011) 20 / 40

21 Memórias RAM Leitura e escrita nas DRAM O processador vê a memória como uma linha cont ínua de endereços, enquanto que a memória está organizada sob a forma de matriz. Cabe ao controlador de memória (Ponte Norte) retirar o endereço do barramento de endereços e identificar qual a célula de memória a que se refere. Para isso produz um endereço com duas componentes: linhas e colunas, ou seja, produz um endereço de linha e um endereço de coluna. Na figura podemos ver o Latch de endereços de linha, controlado pelo sinal RAS (Row Access Strobe) e o Latch de endereços de colunas, controlado pelo sinal CAS (Column Access Strobe). Dora Melo (2010/2011) 21 / 40

22 Memórias RAM Leitura e escrita nas DRAM Dora Melo (2010/2011) 22 / 40

23 Memórias RAM Operção de leitura numa memória DRAM 1 O endereço de linha é colocado no barramento de endereços; 2 O sinal RAS é activado; 3 O descodificador de endereços de linha selecciona a linha desejada; 4 O sinal Write Enable não é apresentado (só aparece nas operações de escrita); 5 O endereço de coluna é colocado no barramento de endereços; 6 O sinal CAS é activado (que faz com que a interface de dados coloque o dado proveniente da célula na sa ída, ou seja, no barramento de dados); 7 Ambos os sinais, RAS e CAS são desactivados. Dora Melo (2010/2011) 23 / 40

24 Memórias RAM DRAM FPM Memória ass íncrona; Não é preciso activar os sinais RAS e CAS para cada byte a ser lido. Este tipo de memórias mantêm o sinal RAS activo para leitura de quatro bytes na mesma linha, sendo somente necessário activar os sinais CAS (coluna) desejados; FPM conseguem ser cerca de 30% mais rápidas que as memórias regulares; Foram utilizadas nos 386, 486 e nos primeiros computadores Pentium; FPM na forma de pentes SIMM de 30 ou 72 vias e com velocidades de acesso de 80ns, 70ns e 60ns, sendo as de 70ns as mais comuns; Temporizaçõees de acesso de rajada (número de ciclos): Dora Melo (2010/2011) 24 / 40

25 Memórias RAM DRAM EDO Memória ass íncrona; Nas memórias DRAM e FPM só é poss ível seleccionar o endereço seguinte depois de o dado anterior ter sido lido (colocado no barramentos de dados); A memória EDO permite enviar o endereço seguinte e ler o dado corrente em simultâneo; So fabricados em velocidades de 70, 60 e 50ns, com predominância dos módulos de 60 ns; Temporizações de acesso de rajada (número de ciclos): Dora Melo (2010/2011) 25 / 40

26 Memórias RAM DRAM BEDO Memória ass íncrona; Variante da memória EDO que possui uma optimização para que os acessos aos dados cont íguos se façam sob a forma de rajada; Neste tipo de memória, torna-se desnecessário enviar os consecutivos sinais CAS. Só é enviado o primeiro sinal RAS e o primeiro sinal CAS, lendo de rajada 4 bytes cont íguos, no mesmo ciclo de relógio. Nas memórias anteriores era necessário enviar os sinais CAS para cada coluna que se desejasse ler. Temporizações de acesso de rajada (número de ciclos): Dora Melo (2010/2011) 26 / 40

27 Memórias RAM SDRAM Memória s íncrona; O arranjo das células é o mesmo que nas memórias anteriores (ass íncronas) existindo também os sinais RAS e CAS; Os chips SDRAM são constru ídos em múltiplos e independentes blocos de acesso, proporcionando o acesso a um segundo bloco antes do fim de processamento do primeiro, ou seja, de serem colocados os dados no barramento de dados; Lêm 8 bytes de uma vez; Só existe em módulos de 64 bits; Nos PCs utiliza-se o encapsulamento DIMM; Temporizações de acesso de rajada (número de ciclos): Dora Melo (2010/2011) 27 / 40

28 Memórias RAM Outras SDRAM DDR - Double Data Rate Este tipo de memória consegue fazer duas transferências por ciclo de relógio, uma na transição 0 para 1 e outra de 1 para 0. DDR2 Este tipo de memória utiliza o mesmo processo da memória DDR, mas consegue aceder a 2 blocos. DDR3 Este tipo de memória utiliza o mesmo processo da memória DDR, mas consegue aceder a 4 blocos. Dora Melo (2010/2011) 28 / 40

29 Memórias RAM Frequências de operação Frequência do barramento de dados da memória; Frequência do Buffer de E/S; Frequência do núcleo da memória. Dora Melo (2010/2011) 29 / 40

30 Memórias RAM Especificação de memórias e latência CAS Exemplo de especificação de uma memória DDR2 400 PC Dual Channel System Memory, 240-pin DIMM, CL3, Non-ECC DDR2, indica o tipo de memória; 400, indica a frequ ência de funcionamento (400 Mhz); PC2-3200, indica a largura de banda da memória em bytes (400*64 bits/8); 240-pin DIMM, indica o encapsulamento da memória; CL3, indica que tem uma latência CAS de 3 ciclos de relógio; Non-ECC, significa que não possui mecanismo de controlo/detecção de erros ECC. Dora Melo (2010/2011) 30 / 40

31 Memórias RAM Latência CAS A laência CAS (Cas Latency - CL) é o atraso, em ciclos de relógio, entre uma instrução de leitura registada pelo chip e a disponibilização do primeiro dado no barramento de dados da memória. Exerc ícios sobre CL Qual das seguintes memórias é a mais rápida a ler o primeiro dado da memória? DDR2-400 CL3 DDR CL8 Dora Melo (2010/2011) 31 / 40

32 Memórias RAM RDRAM - Rambus DRAM Visa diminuir o tempo de espera do sistema; Actualmente são utilizadas apenas em algumas máquinas de jogos e em aplicações gráficas muito intensivas; Esse tipo de memória é vendido num módulo chamado RIMM (Rambus In-line Memory Module); Grandes esperanças depositadas pela Intel neste tipo de memória. Foi um flop em Dora Melo (2010/2011) 32 / 40

33 Memórias RAM Encapsulamento das memórias DRAM Dora Melo (2010/2011) 33 / 40

34 Memórias RAM VRAM - V ídeo RAM e GDDRx Memória utilizada nas placas gráficas e de v ídeo; Possui uma tecnologia que lhe permite escrever e ler informação simultaneamente; Estão a ser substitu ídas por memórias com tecnologia DDR, nomeadamente as GDDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4 e GDDR5 devido ao aumento da velocidade da tecnologia DDR; O G em GDDR vem de Graphics, por se tratarem de memórias v ídeo; Só que as memórias DDR2 e DDR3 usadas em placas de v ídeo têm caracter ísticas diferentes das memórias DDR2 e DDR3 usadas no PC - especialmente a tensão de alimentação. Dora Melo (2010/2011) 34 / 40

35 Introdução Memória cache Bloco de RAM estática (SRAM) preenchida com conteúdos com maiores probabilidades de serem necessários; Possui uma capacidade de armazenamento menor que a memória dinâmica; Tipos de Cache (Ambas na die do processador): Cache interna (também designada de cache L1 ou cache primária); Cache externa (também designada de cache L2 ou cache secundária). Alguns processadores, como é o caso do AMD Opteron apresentado no acetato seguinte, possuem ainda caches de n ível 3 (L3). Dora Melo (2010/2011) 35 / 40

36 Introdução Localização das memórias cache na die do CPU Dora Melo (2010/2011) 36 / 40

37 Introdução Funcionamento Um processador quando precisa de dados, que não estão dispon íveis nos registos, pesquisa-os na memória cache/memória RAM; Se encontrar os dados na memória cache, diz-se que houve sucesso na pesquisa ou que ocorreu um cache hit; Se não encontrar os dados na memória cache, diz-se que ocorreu um cache miss; O desempenho das caches pode ser avaliado através de uma taxa, designada hit rate, que indica o número de acertos por não acertos, ou seja, hit rate (= percentagem de hits ocorridos relativamente ao número total de acessos à memória); Cada vez que o CPU pede dados à RAM, coloca uma cópia desses dados na cache. Este processo leva a uma actualização constante da cache, que, desta forma, contém sempre a última informação actualizada. Dora Melo (2010/2011) 37 / 40

38 Técnicas de pesquisa Técnicas de pesquisa Técnica look aside O processador envia solicita os dados simultaneamente à memória cache e RAM; Se ocorrer um cache hit, o processador informa o sistema da memória principal de que os dados já foram encontrados. Dora Melo (2010/2011) 38 / 40

39 Técnicas de pesquisa Técnicas de pesquisa Técnica look trough Nesta técnica o endereço de memória desejado é enviado à cache, sendo a própria cache a responsável por ir buscar o endereço à memória RAM caso este endereço não esteja dispon ível na memória cache, simulando um cache hit. Dora Melo (2010/2011) 39 / 40

40 Técnicas de escrita Técnicas de escrita Write-Back Usando esta técnica o CPU escreve dados directamente na cache, cabendo ao sistema a escrita posterior da informação na memória principal. Como resultado o CPU fica livre mais rapidamente para executar outras operações. Write-Through Quando o sistema escreve para uma zona de memória, que está contida na cache, escreve a informação, simultaneamente na linha espec ífica da cache e na zona de memória ao mesmo tempo. Este tipo de caching providencia pior desempenho do que a Write-Back Cache, mas é mais simples de implementar e tem a vantagem da consistência interna, porque a cache nunca está dess íncrona com a memória como acontece com a técnica Write-Back Cache. Dora Melo (2010/2011) 40 / 40