Aula 11: Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização

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1 Aula 11: Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 1 / 37

2 Hierarquia de Memória Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 2 / 37

3 Memória: Definição Componente de um sistema de computação Armazena informações que são manipuladas pelo sistema Permite que sejam recuperadas quando necessário Em computadores com programa armazenado, armazena também código executável Arquitetura de Von Neumann: tudo é armazenado em uma única memória Arquitetura de Harvard: memórias separadas Não é um componente único Subsistema completo Composto por vários componentes Todos interligados Formam uma hierarquia Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 3 / 37

4 Hierarquia de Memória: Uma Analogia Você precisa fazer um exercício de física Você lê o enunciado e verifica que precisa de uma fórmula Como você a obtém? Algumas alternativas: 1 Você abre o livro texto e procura a fórmula no capítulo relevante 2 Você lembra de fórmula de cabeça porque previamente estudou a matéria 3 Você tem a fórmula já anotada no rascunho usado para fazer o exercício Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 4 / 37

5 Hierarquia de Memória: Uma Analogia (II) O livro texto contém muitas informações Fórmulas para todo tipo de problema daquela matéria Outros dados e informações também Certamente acharemos a fórmula lá, mas não de forma eficiente Teremos que procurar no meio de outras informações Manipular fisicamente as páginas Em conclusão: É um repositório de informações grande, mas lento Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 5 / 37

6 Hierarquia de Memória: Uma Analogia (III) Nossa memória é mais rápida, assumindo que efetivamente nos lembremos da fórmula Rapidamente recuperamos a expressão Maior tempo, provavelmente, é gasto transcrevendo a fórmula para o papel Escrevê-la no nosso rascunho para utilizá-la Outro problema é que nossa memória tem capacidade limitada Tendemos a esquecer certas informações Principalmente com o passar do tempo Em conclusão: É um repositório de informações menor, mas mais rápido Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 6 / 37

7 Hierarquia de Memória: Uma Analogia (IV) A última alternativa é que a fórmula já esteja anotada no papel Nosso rascunho Neste caso, ela está pronta para uso Podemos partir do que já está escrito E aplicar os dados do problema Mas o quão provável é esta situação? Da fórmula já estar anotada? O papel de rascunho provê um espaço bastante limitado Em conclusão: É um repositório de informações pequeno, mas o mais rápido de todos Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 7 / 37

8 Hierarquia de Memória: Níveis Esta ideia se aplica também aos computadores Existem vários tipos de repositórios diferentes Registradores Memória cache Memória principal Memória secundária Cada um destes tipos ainda pode ser subdividido Cache de nível 1, nível 2 Disco rígido, fita magnética Repositórios variam em termos de: Tempo de acesso Capacidade de armazenamento Volatilidade dos dados Preço Registradores Memória Cache Memória Principal Memória Secundária Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 8 / 37

9 Hierarquia de Memória: Dados Do outro lado, os dados também variam Existem muitos dados que queremos guardar Mas não serão utilizados em um futuro próximo Existem outros que esperamos usar em breve Mas não necessariamente agora E existem dados sobre o qual queremos operar agora Efetuar operações como somas, subtrações, Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 9 / 37

10 Hierarquia de Memória: Dados e Níveis Quanto mais imediato é uso de um dado, mais próximo ele deve estar do processador Mais rápido é o acesso Mas, em geral, memórias mais próximas do processador são: Menores Mais caras (por unidade de informação) Memórias próximas ao processador também tendem a ser voláteis Logo, não podemos armazenar tudo nas memórias mais rápidas É economicamente inviável E, geralmente, precisamos armazenar informações de forma não-volátil Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 10 / 37

11 Características de uma Memória Em geral, um determinado tipo de memória pode ser classificado de acordo com cinco características: Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia de fabricação Custo Note que geralmente há correlação entre algumas destas características eg, tecnologia tem relação com tempo de acesso e custo Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 11 / 37

12 Características de uma Memória: Tempo de Acesso Tempo desde a requisição do dado até que ele esteja disponível Normalmente, calculado em relação à leitura de dados Recuperar informação que está armazenada em memória Note que certas memórias têm tempos diferentes para leitura e escrita Característica dependente da tecnologia usada pela memória Poucos nanosegundos para a memória principal (dispositivo eletrônico) Dezenas de milissegundos para HDs (dispositivo eletromecânico) Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 12 / 37

13 Características de uma Memória: Tempo de Acesso (II) Para alguns tipos de memória, o tempo de acesso pode ser variável eg, tempo de acesso a um Disco Rígido Cabeça de leitura precisa ser posicionada Se ela está próxima do dado, acesso é mais rápido Isso não ocorre, por exemplo, com a memória principal RAM: Random Access Memory Qualquer local é acessado com uma mesma latência Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 13 / 37

14 Características de uma Memória: Capacidade Quantidade de informação que pode ser armazenada na memória Geralmente, medida em bytes Ou múltiplos (k, M, G, ) Dispositivos de memória secundária geralmente tem grande capacidade Na casa dos Gigabytes ou Terabytes Do outro lado do espectro, estão os registradores Poucos bits Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 14 / 37

15 Características de uma Memória: Volatilidade Capacidade de reter informações permanentemente Em geral, utiliza-se como critério a alimentação elétrica Sem energia elétrica Com energia elétrica Memória volátil: Informações são perdidas quando dispositivo deixa de ser alimentado Exemplo: memória RAM Memória não-volátil: Informações são retidas mesmo sem alimentação Exemplo: memória ROM Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 15 / 37

16 Características de uma Memória: Tecnologia de Fabricação Várias opções: Memórias baseadas em semicondutores Memória RAM, ROM, registradores, flash, Geralmente rápidas, mas caras Memórias baseadas em meio magnético Disco Rígido, Fita Magnética Baratas, alta capacidade de armazenamento, não-voláteis, lentas Memórias baseadas em meio óptico CDs, DVDs, Blueray, Não-voláteis, lentas, alta capacidade de armazenamento Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 16 / 37

17 Características de uma Memória: Custo O custo de uma memória é algo relativo Memória RAM DDR3 4 GB: cerca de R$ 110,00 HD SATA 1 TB: cerca de R$ 180,00 Como as capacidades podem ser muito diferentes, geralmente considera-se o custo por byte Memória RAM: 27,50 R$/GB Disco Rígido: 0,18 R$/GB Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 17 / 37

18 Níveis de Memória: Registradores São internos ao processador Guardam informações necessárias imediatamente Instrução a ser executada Operadores a serem processados Construídos com a mesma tecnologia do processador Acesso muito rápido Da ordem do tempo de execução de uma instrução eg, 1 ns Capacidade de poucos bits Geralmente, do tamanho dos operadores processados pela UCP 32 bits, 64 bits Voláteis Baseados em semicondutores Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 18 / 37

19 Níveis de Memória: Memória Cache Podem ser internas ou externas ao processador Cache L1 (level 1 ou nível 1) ou L2 interna Encapsulada no mesmo chip do processador Cache L2 externa Chip separado Cache L1 é bastante rápida Tempos de acesso ligeiramente maiores que de um registrador eg, 5 ns Cache L2 é mais lenta eg, 12 ns Capacidade: centenas de kb (L1), poucos MB (L2) Tecnologia: semicondutores, SRAM Custo alto Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 19 / 37

20 Níveis de Memória: Memória RAM Externas ao processador Conectadas via barramento Tempos de acesso consideravelmente maiores que da cache L2 eg, 50 ns Capacidade muito maior que da cache Mas limitada por características do processador Ligada ao tamanho da palavra Processadores recentes de 32 bits suportam até 4 GB Voláteis Tecnologia baseada em semicondutores, SRAM Custo menor que da memória cache Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 20 / 37

21 Níveis de Memória: Memória Secundária Tempos de acesso bem mais altos Na casa das dezenas de milissegundos Custo baixo e alta capacidade Não-volátil Geralmente, usam meios magnéticos ou ópticos Mas, hoje, algumas são baseadas em semicondutores Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 21 / 37

22 Organização da Memória Principal Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 22 / 37

23 Introdução Fisicamente, o Subsistema de Memória é organizado hierarquicamente De acordo com os níveis vistos até aqui Ainda nesta disciplina, discutiremos registradores, cache e memória secundária em mais detalhes Mas em termos lógicos, a memória é organizada de acordo com a organização da Memória Principal Objeto do restante desta aula Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 23 / 37

24 Organização M bits 0 A memória principal pode ser vista como uma matriz de bits Bits são dispostos em linhas e colunas Neste curso, diremos que uma linha é uma célula de memória Todas as células de memória possuem o mesmo número M de bits Largura da Célula N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 24 / 37

25 Organização: Células Cada célula de memória recebe um identificador único Chamado de Endereço Não é armazenado na memória, fica subentendido De fato, uma célula de memória é a menor unidade de informação endereçável ie, não podemos referenciar um subconjunto (próprio) de seus bits isoladamente Geralmente, M = 8 Ou seja, células de um byte Mas isso não é uma regra N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 M bits Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 25 / 37

26 Organização: Endereços M bits Endereços são contados sequencialmente Começam do 0 e vão até um determinado valor N 1 São usados pelo processador para referenciar células Quando este pede alguma operação à memória Em alguns casos, processador referencia um conjunto de células contíguas Número máximo de células é limitado Pelo número de bits do Barramento de Endereços BE de 32 bits endereça bilhões de células N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 26 / 37

27 Organização: Tamanho Quantos bits (ou bytes) podemos armazenar na memória? Em bits: Número de posições da matriz Com N linhas (células) e M colunas (bits): N M Em bytes: N M 8 Mas qual é o tamanho máximo? Depende da largura do BE E do tamanho da célula Para BE de 32 bits com células de 1 byte: 2 32 B = 4 GiB N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 M bits Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 27 / 37

28 Organização: Tamanho (II) Note que podemos aumentar o limite de memória de um computador de duas formas: Aumentando o número de células Aumentando a largura de cada célula Aumentar o número de células requer aumentar largura do BE M bits E alguns registradores estudados mais à frente na disciplina Aumentar a largura das células reduz a granularidade do endereçamento eg, com M = 16, não podemos referenciar bytes individuais Para buscar um byte, precisamos trazer um par inteiro e separá-lo N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 28 / 37

29 Operações Sobre a Memória A interação entre a UCP e a memória permite dois tipos de operação Leitura Escrita Em ambas as operações, a UCP informa um endereço Marca início da região sobre a qual operação é realizada A leitura é uma operação não-destrutiva Valor de uma região da memória é lido e permanece o mesmo A escrita é (por natureza) destrutiva Valor da região é alterado Valor original é perdido Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 29 / 37

30 Operações Sobre a Memória: Tamanho da Palavra Conceito já citado brevemente O tamanho da palavra de um processador determina o número de bits de alguns componentes do computador Em relação às operações sobre a memória, é muito importante Determinados processador leem/escrevem na memória em unidades do tamanho da palavra (ou múltiplos) eg, se o tamanho da palavra é 4 bytes, leituras/escritas são feitas conjuntos de 4 bytes contíguos Note uma distinção importante: tamanho da célula não é o mesmo que tamanho da palavra De fato, estes tamanhos são geralmente diferentes eg, células de 1 byte, palavras de 32 bits Podemos endereçar memória em células individuais, mas leitura/escrita são feitas sobre palavras inteiras Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 30 / 37

31 Operações Sobre a Memória: Tamanho da Palavra (II) M bits N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 }Tamanho da Palavra Se as leituras/escritas são feitas sobre palavras inteiras, como obter o valor de células individuais? Leitura: No processador ou na memória, célula desejada é isolada do resto da palavra Escrita: No processador ou na memória, célula específica é combinada com resto da palavra Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 31 / 37

32 Operações Sobre a Memória: Alinhamento Outra restrição comum no acesso à memória: Acessos devem ser alinhados com o tamanho da palavra Leituras/escritas são feitas em palavras iniciadas em endereços múltiplos do tamanho da palavra Por exemplo: Tamanho da palavra é 4 bytes Células são de 1 byte Podemos acessar palavras iniciadas nos endereços 0, 4, 8, Mas não podemos nos endereços 1,2,3,5,6,7, Razão: Permite melhor desempenho em certos aspectos Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 32 / 37

33 Operações Sobre a Memória: Alinhamento (Exemplo I) Correto Incorreto M bits M bits }Tamanho da Palavra }Tamanho da Palavra N-5 N-5 N-4 N-4 N-3 N-3 N-2 N-1 N-2 N-1 Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 33 / 37

34 Operações Sobre a Memória: Alinhamento (Exemplo II) M bits 0 Leitura dos bytes das posições 2 e 3 Palavra de 4 bytes Células de 1 byte Um único acesso à memória Palavra inteira é carregada para o processador Dois bytes de interesse são depois isolados }Um acesso Bytes desejados Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 34 / 37

35 Operações Sobre a Memória: Alinhamento (Exemplo III) M bits Situação semelhante Leitura dos bytes das posições 3 e 4 Palavra de 4 bytes Células de 1 byte Leitura não pode ser feita em um acesso Bytes de interesse estão espalhados por duas palavras alinhadas diferentes }Primeiro Acesso }Segundo Acesso Solução: dois acessos à memória Bytes desejados Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 35 / 37

36 Operações Sobre a Memória: Padding Exemplo anterior ilustra importância do alinhamento para o desempenho Mesmo para dados menores que o tamanho da palavra, se houver desalinhamento, precisamos de mais acessos à memória Por este motivo, é importante tentar manter dados alinhados ao tamanho da palavra Mas o que fazer quando há dados cujo tamanho não é múltiplo da palavra? Por exemplo, imagine um vetor de elementos de 3 bytes Podemos alinhar o primeiro elemento, mas o segundo ficará desalinhado Solução: adição de padding Inserimos um espaço artificial entre os elementos No exemplo, 1 byte após cada elemento Aumenta consumo de memória, mas melhora desempenho Linguagens de alto nível muitas vezes cuidam de forma automática destes aspectos Compilador guarda variáveis alinhadas e com o padding necessário Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 36 / 37

37 Exercícios 1 Determine a largura mínima necessária para o barramento de endereços para que uma máquina possa suportar 16 GB de memória com células de 2 bytes 2 Para este mesmo cenário, determine quantas células terá a memória 3 Agora suponha uma máquina com células de 1 byte e palavra de 8 bytes Queremos armazenar um vetor de 3 elementos de 11 bytes cada Podemos utilizar quaisquer células entre as posições 117 e 200 Desenhe um esquema de alocação de forma a maximizar o desempenho no acesso a estes elementos Diego Passos (UFF) Memória Principal: Conceitos Básicos e Organização FAC 37 / 37