Memória. Arquitetura de Computadores I. DCC-IM/UFRJ Prof. Gabriel P. Silva

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1 Memória Arquitetura de Computadores I DCC-IM/UFRJ Prof. Gabriel P. Silva

2 Representação das Informações A abreviação utilizada para o byte é o B maiúsculo e para o bit é o b minúsculo. Abaixo estão os multiplicadores normalmente utilizados em computação. Ao contrário do sistema internacional de medidas, que utiliza a base 10, os multiplicadores em informática utilizam como referência a base 2: K (kilo): representa unidades (2 10 ) M (mega): representa unidades (2 20 ) G (giga): representa unidades (2 30 ) T (tera): representa 2 40 unidades P (peta): representa 2 50 unidades E (exa): representa 2 60 unidades

3 Introdução A memória é capaz de armazenar informações binárias que podem representar instruções ou dados. Serve também para armazenar resultados intermediários ou finais obtidos pelas operações realizados pelo processador. O elemento que armazena a informação na memória é, em essência, um flip-flop. Executa somente duas operações: leitura e escrita. As informações que serão escritas na memória podem vir do processador ou de dispositivos de entrada de dados. As informações podem ser lidas da memória para o processador ou para algum dispositivo de saída.

4 Terminologia Terminologia: Célula de Memória: dispositivo ou circuito elétrico usado para armazenar um bit. Palavra de Memória: um grupo de células. Nos computadores atuais, o tamanho das palavras, normalmente está na faixa que varia de 32 a 64 bits. Byte: grupo de 8 bits. No sistemas atuais cada byte possui um endereço distinto na memória. Capacidade: especifica a quantidade de bits ou bytes que podem ser armazenados em uma memória. Endereço: é um número que identifica a posição de um palavra na memória. Cada palavra possui um único endereço. Endereços são sempre expressos como número binários, embora sejam usados os números octais, hexadecimais e decimais por simplificação.

5 Endereçamento A Figura 1 mostra uma memória com 8 palavras. Cada palavra tem um endereço específico composto por 3 bits, variando de 000 a 111. Endereços 000 Palavra Palavra Palavra Palavra Palavra Palavra Palavra Palavra 7

6 Operações na Memória Operação de Leitura (ou Busca): operação em que uma palavra binária armazenada em uma posição de memória é identificada e transferida para outro dispositivo do sistema. Por exemplo, se a Palavra 4 da memória for usada, devemos realizar uma operação de leitura no endereço 100. Operação de Escrita: operação na qual uma palavra é colocada em uma determinada posição de memória. Toda vez que uma palavra é escrita em uma posição de memória, esta substitui uma outra palavra que estava anteriormente armazenada nesta posição.

7 Classificação As memórias são componentes utilizados para armazenar dados e instruções em um sistema computacional. As memórias podem apresentar propriedades distintas, de acordo com a tecnologia com que são fabricadas. São utilizadas em aplicações diferentes, de acordo com a velocidade de leitura e escrita dos dados, capacidade de armazenamento, volatilidade da informação, consumo, etc. Isso resulta em diversas formas de classificálas.

8 Classificação das Memórias A seguir enumeramos as características encontradas nas memórias utilizadas no projeto da memória principal dos computadores modernos: Semicondutora (transistores) Dinâmica (atualização periódica) Acesso aleatório (endereço) Volátil (perde informação sem energia) Síncronas (uso de relógio para acesso) Iremos concentrar nosso estudo sobre este tipo de memória

9 Acesso à Memória Embora existam diversos tipos de implementações de memórias, há um conjunto de operações comuns a todos os sistemas de memória. A memória necessita de um conjunto de linhas de entrada e saída para realizar as seguintes funções: 1. Selecionar o endereço para uma operação de leitura ou escrita. 2. Selecionar a operação. 3. Fornecer os dados de entrada, se for uma escrita. 4. Habilitar a memória para responder a um endereço na entrada.

10 Memória

11 Memória Entrada/Saída de Dados: contém as palavras que serão lidas ou escritas na memória. Como o tamanho da palavra é 4 bits, são necessárias 4 linhas de dados. Entradas de Endereço: como a memória possui capacidade de armazenar 32 palavras, são necessários 32 (2 5 ) endereços diferentes, começando de até (0 a 31 em decimal). Portanto a memória deve ter 5 bits de entradas de endereço. Entrada R/W : Determina qual das operações de memória deverá ser efetuada. Se R/W for igual a 1, indica que uma operação de leitura será executada. Se for 0, será realizada uma operação de escrita. Habilitação da Memória ME: responsável pela habilitação e desabilitação do chip de memória. Cada tipo de memória pode ter outras linhas específicas de controle.

12 Endereçamento Quantos bits de endereço são necessários para endereçar um pente de memória de 512 Megabytes? 512 MB ===> bytes bytes ===> 2 29 bytes bytes ===> 29 bits de endereço

13 Endereçamento Quantos bits de endereço são necessários para endereçar um pente de memória de 2 Gigabytes? 2 GB ===> bytes bytes ===> 2 31 bytes bytes ===> 31 bits de endereço

14 Matriz de Memória Problema: FATOR DE FORMA ou ALTURA >> LARGURA 2 L-K Linha Bit (BL) Célula de Memória A K A K+1 A L-1 Decodificador de Linha Linha Word (WL) M.2 K Amplificador Sensor / Drivers Amplifica a amplitude do sinal da célula A 0 A K-1 Decodificadores de Coluna Seleciona a palavra apropriada Entrada - Saída (M bits)

15 Matriz de Memória

16 Acesso à Memória

17 Acesso à Memória

18 Memórias Síncronas As memórias síncronas são um tipo de DRAM, onde a leitura ou escrita dos dados é sincronizada por um relógio de sistema ou de barramento. As memórias síncronas são projetadas para permitir a leitura ou escrita, depois da latência inicial, em modo rajada (burst mode) em uma taxa de um ciclo de relógio por acesso. Elas se aproveitam do fato de que os modernos processadores possuem memórias caches internas e, a cada cache falha, linhas inteiras de bytes com endereços sequenciais são lidas ou escritas da memória de uma única vez. Com isso, o seu desempenho é significativamente superior ao das memórias assíncronas.

19 Memórias Síncronas

20 Tipos de Memória Dinâmica Síncrona Os módulos de memória síncrona são apresentados em pentes DIMM e possuem largura de dados de 64 bits ou 72 bits (ECC). SDRAM Single Data Rate DRAMs, transferem 8 bytes por ciclo de relógio. DDR Double-data-rate Synchronous DRAM, transferem 16 bytes, a cada ciclo de relógio. DDR2 Similar às DDRs, mas o barramento externo trabalha no dobro da frequência da matriz de células de memória. Atinge maiores frequências, mas a latência para o primeiro acesso é maior. DDR3 Similar às DDRs, mas o barramento externo trabalha com frequência 3 vezes maior que a matriz de células de memória. Atinge frequências ainda maiores, mas a latência inicial também é maior.

21 SDR x DDR x DDR2

22 Tipos de Memória Dinâmica SDRAM Síncrona DDR

23 DDR x DDR2 x DDR3 MEMÓRIA RELÓGIO REAL TAXA MÁXIMA DE TRANSFERENCIA TEÓRICA MÓDULO DE MEMÓRIA DDR MHz 1,600 MB/s PC-1600 DDR MHz 2,133 MB/s PC-2100 DDR MHz 2,666 MB/s PC-2700 DDR MHz 3,200 MB/s PC-3200 DDR MHz 3,200 MB/s PC DDR MHz 4,266 MB/s PC DDR MHz 5,333 MB/s PC DDR MHz 6,400 MB/s PC DDR MHz 8,533 MB/s PC DDR MHz 6,400 MB/s PC DDR MHz 8,500 MB/s PC DDR MHz 10,666 MB/s PC DDR MHz 12,800 MB/s PC

24 DDR x DDR2 x DDR3

25 DDR x DDR2 x DDR3 Tecnologia Latência Típica Outras Latências Disponíveis DDR 3 2, 2.5 DDR2 5 3, 4 DDR3 7 6, 8, 9 Tecnologia DDR DDR2 DDR3 Tensão Típica 2.5 V 1.8 V 1.5 V

26 Latência Inicial Embora possuam a mesma taxa máxima de transferência teórica, memórias de gerações diferentes, mas de mesma frequência possuem desempenho diferentes. Por exemplo, a memória DDR-400 e DDR2-400, tem a mesma frequência externa, mas a memória DDR- 400 tem latência inicial menor, o que resulta em melhor desempenho. Por exemplo, a memória DDR2-800 e DDR3-800 tem a mesma frequência, mas a memória DDR2-800 tem melhor desempenho.

27 Código de Correção de Erro As modernas memórias dinâmicas, por apresentarem uma estrutura muito simples de célula de memória e de dimensões reduzidíssimas, são muito sujeitas a erros, ou seja, mudanças aleatórias no valor armazenado. Para contornar este problemas, muitos módulos de memória possuem bits adicionais para detecção e correção de erro. Nos esquemas mais simples é adicionado um bit de paridade adicional para cada byte armazenado. Assim, se algum dos bits armazenados mudar de valor, isso será facilmente detectado durante a leitura do valor, e um sinal de erro é ativado.

28 Código de Correção de Erro Contudo, se dois ou mais bits armazenados mudarem de valor, o bit de paridade pode não ser suficiente para detetar esta situação. Neste sentido, é comum utilizar-se um código de correção de erro baseado no algoritmo de Hamming com 7 bits para cada 64 bits armazenados. Este código é capaz de detetar e corrigir erros simples (1 bit) e detetar erros duplos (2 bits) se um bit adicional de paridade for inserido para toda a palavra. De uma forma prática, o número m de bits de correção necessários deve ser: m= log 2 (n) +2

29 Melhorando o Desempenho Henessy & Patterson

30 Melhorando o Desempenho Existem várias técnicas que são utilizadas para melhorar o desempenho no acesso à memória principal: Aumento da largura de memória, ou seja, o número de bits que são lidos simultaneamente em um único acesso; Divisão da memória em bancos independentes com acesso intercalado entre eles; Uso de barramento com transações divididas ( splittransactions'), onde o endereço é fornecido em uma primeira fase e em uma outra fase os dados relativos a esse endereço são lidos.

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