ARQUITETURA DE COMPUTADORES MEMÓRIAS

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1 ARQUITETURA DE COMPUTADORES MEMÓRIAS

2 INTRODUÇÃO É UM COMPONENTE DE UM SISTEMA DE COMPUTAÇÃO CUJA A FUNÇÃO É ARMAZENAR AS INFORMAÇÕES QUE SÃO OU SERÃO MANIPULADAS POR ESSE SISTEMA. ESSAS INFORMAÇÕES PODERÃO SOFRER SOMENTE DUAS AÇÕES, SENDO ELAS:

3 INTRODUÇÃO ESCRITA (WRITE) : OPERAÇÃO REALIZADA PARA ARMAZENAR (STORE) UM ELEMENTO EM UMA DADA LOCALIZAÇÃO; E LEITURA ( READ): OPERAÇÃO REALIZADA PARA RECUPERAR (RETRIEVE) UM ELEMENTO EM UMA DADA LOCALIZAÇÃO.

4 INTRODUÇÃO EM SISTEMA COMPUTACIONAL, TEMOS DIFERENTES TIPOS DE MEMÓRIAS, PARA DIFERENTES FINALIDADES, QUE SE INTERLIGAM DE FORMA ESTRUTURADA E QUE FORMAM O SUBSISTEMA DE MEMÓRIA. A INFORMAÇÃO PODE SER REPRESENTADA PELO BIT OU POR UM CONJUNTO DE N BITS QUE POSSUEM UM ENDEREÇO DEFINIDO. POR QUE TEMOS DIFERENTES TIPOS DE MEMORIAS? UM DOS FATORES É O TEMPO DE ACESSO A MEMÓRIA SER DIFERENTE DO TEMPO DE PROCESSAMENTO DA UCP. GERALMENTE A VELOCIDADE DA UCP É CERCA DE 10 VEZES MAIOR QUE A VELOCIDADE DE ACESSO A MEMORIA, FAZENDO QUE OCORRA UM DELAY ENTRE ELAS.

5 INTRODUÇÃO SOLUÇÃO PARA ESTE PROBLEMA PODE SER A UTILIZAÇÃO DE UM SUBSISTEMA COMPOSTO DE VÁRIOS TIPOS DE MEMORIAS, TAIS COMO REGISTRADORES, CACHÊ, MEMÓRIA PRINCIPAL, MEMÓRIA AUXILIAR Registradores Custo Velocidade Memória Cache Memória Principal Memória auxiliar Tempo de Acesso Capacidade

6 ESCOLHA CAPACIDADE: GERALMENTE ESCOLHE-SE MEMÓRIAS PELA SUA CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO, E ESSA CAPACIDADE É EXPRESSA EM FUNÇÃO DE BYTES(1 BYTE = 8 BITS) OU PALAVRAS. VELOCIDADE: PARA QUE AS MEMORIAS SEJAM RÁPIDAS, GERALMENTE TEM-SE UM MENOR CAPACIDADE, SENDO QUE ISSO INTERFERE DIRETAMENTE NA SUA ESTRUTURA. HOJE EM DIA ESSA DIFERENÇA DIMINUI-SE MUITO. PREÇO: O PREÇO ESTÁ RELACIONADO A SUA ESTRUTURA, OU SEJA, ENTRE A SUA VELOCIDADE E CAPACIDADE, SENDO INVERSAMENTE PROPORCIONAL. PODE-SE TER UMA MAIOR CAPACIDADE COM VALOR MAIS ACESSÍVEL E VELOCIDADE COM O VALOR MENOS ACESSÍVEL.

7 MÉTODO DE ACESSO SEQUENCIAL OS DADOS SÃO ORGANIZADOS NA MEMÓRIA EM UNIDADES CHAMADAS DE REGISTROS. O ACESSO É FEITO SEGUNDO UMA SEQUÊNCIA LINEAR ESPECIFICA. ALÉM DOS DADOS, SÃO ARMAZENADAS INFORMAÇÕES ENDEREÇAMENTO, UTILIZADAS PARA SEPARAR UM REGISTRO DO REGISTRO SEGUINTE E FACILITAR O PROCESSO DE BUSCA POR UM DETERMINADO REGISTRO. EX.: FITAS MAGNÉTICAS DIRETO EMPREGA UM MECANISMO COMPARTILHADO PARA A LEITURA E ESCRITA, MAIS CADA BLOCO INDIVIDUAL OU REGISTRO POSSUI UM ENDEREÇO ÚNICO, BASEADO EM SUA LOCALIZAÇÃO FÍSICA. O ACESSO É FEITO POR MEIO DE UM ACESSO DIRETO A VIZINHANÇA GENÉRICA DO REGISTRO E EM SEGUIDA POR UMA PESQUISA SEQUENCIAL. EX.: DISCOS

8 MÉTODO DE ACESSO ALEATÓRIO CADA POSIÇÃO DA MEMÓRIA ENDEREÇÁVEL POSSUI UM MECANISMO DE ENDEREÇAMENTO ÚNICO E FISICAMENTE CONECTADO A ELA. O TEMPO DE ACESSO É CONSTANTE, DESTA FORMA QUALQUER POSIÇÃO PODE SER SELECIONADA DE MODO ALEATÓRIO, SENDO ASSIM ENDEREÇADA E ACESSADA DIRETAMENTE. EX.: MEMÓRIA PRINCIPAL ASSOCIATIVO É UM TIPO DE MEMÓRIA DE ACESSO ALEATÓRIO QUE POSSIBILITA COMPARAR SIMULTANEAMENTE CERTO NÚMERO DE BITS DE UMA PALAVRA, OU COM TODAS AS PALAVRAS DA MEMÓRIA. EX.: MEMÓRIA CACHE

9 MÉTODO DE ACESSO O QUE DIAS RESPEITO AO USUÁRIO, AS DUAS CARACTERÍSTICAS MAIS IMPORTANTES DA MEMÓRIA SÃO A CAPACIDADE E DESEMPENHO, OS PARÂMETROS MAIS IMPORTANTES PARA MEDIR O DESEMPENHO SÃO: TEMPO DE ACESSO (LEITURA); CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO; VOLATILIDADE; TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO; TEMPORARIEDADE; E CUSTO.

10 TEMPO DE ACESSO INDICA QUANTO TEMPO É NECESSÁRIO PARA QUE A MEMÓRIA REALIZE UMA OPERAÇÃO DE LEITURA, OU SEJA, QUANTO TEMPO LEVA PARA O DADO SER TRANSPORTADO DA CÉLULA DE MEMÓRIA PARA O BARRAMENTO APÓS UMA DADA POSIÇÃO TER SIDO ENDEREÇADA. ESTE TEMPO É EXPRESSO EM: MS (MILISSEGUNDOS = 10-3 ) MS (MICROSSEGUNDOS = 10-6 ) NS (NANOSSEGUNDOS = 10-9 ) NAS MEMÓRIAS ELETRÔNICAS (RAM, ROM ETC), O TEMPO DE ACESSO É IGUAL, INDEPENDENTEMENTE DA DISTÂNCIA FÍSICA ENTRE O LOCAL DE UM ACESSO E O LOCAL DO PRÓXIMO ACESSO. O MESMO NÃO OCORRE NOS DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS.

11 CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO É A QUANTIDADE DE INFORMAÇÃO QUE PODE SER ARMAZENADA NA MEMÓRIA. A UNIDADE MAIS COMUM É O BYTE, EMBORA TAMBÉM POSSAM SER USADAS OUTRAS UNIDADES COMO CÉLULAS, SETORES (DISCOS) E BITS (REGISTRADORES).

12 VOLATILIDADE UMA MEMÓRIA PODE SER: VOLÁTIL: PARA MANTER OS DADOS NA MEMÓRIA É NECESSÁRIA QUE ESTA ESTEJA SENDO CONSTANTEMENTE ALIMENTADA (ENERGIA). AO DESLIGAR O COMPUTADOR PERDE-SE TODOS OS DADOS DESSE TIPO DE MEMÓRIA. NÃO VOLÁTIL: MESMO SEM SER ALIMENTADA, SEM ENERGIA, A MEMÓRIA CONTINUA COM OS DADOS GRAVADOS.

13 TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO TECNOLOGIAS MAIS UTILIZADAS: MEMÓRIAS DE SEMICONDUTORES: RÁPIDAS, CARAS E DE BAIXA CAPACIDADE. EX.: REGISTRADORES, CACHÊ E MEMÓRIA PRINCIPAL. MEMÓRIAS DE MEIO MAGNÉTICO: ARMAZENA INFORMAÇÕES SOB A FORMA DE CAMPOS MAGNÉTICOS OU ÓPTICOS. SÃO MEMÓRIAS BARATAS, DE ALTA CAPACIDADE E MAIS LENTAS. DEPENDEM DE DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS PARA FUNCIONAREM. EX.: FLOPPY, HD E CD.

14 TEMPORARIEDADE INDICA O TEMPO DE PERMANÊNCIA DA INFORMAÇÃO EM UM DADO TIPO DE MEMÓRIA: PERMANENTE: SÃO MEMÓRIAS COM CAPACIDADE DE ARMAZENAR DADOS POR LONGOS PERÍODOS SEM A NECESSIDADE DE REALIMENTAÇÃO DE ENERGIA. EX.: DISQUETES. TRANSITÓRIA: ARMAZENAM OS DADOS POR CURTO ESPAÇO DE TEMPO E NECESSITAM SER SEMPRE REALIMENTADAS PARA MANTER ESSES DADOS. EX.: REGISTRADORES, RAM.

15 CUSTOS O CUSTO DE UMA MEMÓRIA É MUITO VARIÁVEL. UMA BOA MEDIDA DE CUSTO É VERIFICAR QUANTO CUSTA UM BYTE DE MEMÓRIA, PARA AÍ SIM COMPARAR COM O VALOR DE UM BYTE EM OUTROS TIPOS DE MEMÓRIA.

16 COMPARATIVO EM FUNÇÃO DE CARACTERÍSTICAS COMO TEMPO DE ACESSO, CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO, CUSTO ETC., PODEMOS ESTABELECER UMA HIERARQUIA DE DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO EM COMPUTADORES. Tipo Capacidade Velocidade Custos Localização Volatilidade Registrador Bytes Muito alta Muito alto UCP Volátil Memória Cache Kbytes Alta Alto UCP/ Placa Volátil Memória principal Mbytes Média Médio Placa Volátil Memória auxiliar Gbytes baixa baixo Externa Não Volátil A UCP VÊ NESTA ORDEM(DE CIMA PARA BAIXO NO QUADRO) E ACESSA PRIMEIRO A QUE ESTÁ MAIS PRÓXIMA. SUBINDO NA HIERARQUIA, QUANTO MAIS PRÓXIMO DA UCP, MAIOR VELOCIDADE, MAIOR CUSTO, PORÉM MENOR CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO.

17 CLASSIFICAÇÃO DAS MEMÓRIAS MEMORIAS ROM ROM PROM EPROM EEPROM FLASH EEPROM MEMÓRIAS RAM DRAM SDRAM

18 MEMÓRIA ROM - READ ONLY MEMORY SÃO MEMÓRIAS PRESENTES EM QUALQUER COMPUTADOR, ONDE SÃO GERALMENTE GRAVADAS DE FABRICA COM PROGRAMAS BÁSICOS DE CONTROLE DOS PERIFÉRICOS E DE CONTROLE DE SOFTWARES. TRÊS CARACTERÍSTICAS SÃO IMPORTANTES NESSE TIPO DE MEMORIA, SENDO ELAS: TER ALTA VELOCIDADE; NÃO É VOLÁTIL; SEGURANÇA, OU SEJA, PERMITIR APENAS LEITURA DE SEU CONTEÚDO POR DETERMINADOS PROGRAMAS. EX.: BIOS (BASIC INPUT OUTPUT SYSTEM)

19 MEMÓRIA ROM TIPOS PROM (PROGRAMMABLE ROM) ESTE TIPO DE ROM PODE SER PROGRAMADA ATRAVÉS DE UM EQUIPAMENTO ESPECIAL USADO EM LABORATÓRIOS. PORÉM, UMA VEZ PROGRAMADA, NÃO PODE SER MODIFICADA DE NENHUMA FORMA. MUITO ÚTIL PARA QUEM TRABALHA COM HARDWARE EM LABORATÓRIO E PARA QUEM PRECISA DE SEGURANÇA MÁXIMA. EPROM (ERASABLE PROM) É UMA PROM QUE PODE SER APAGADA E PROGRAMADA NOVAMENTE. SÓ QUE ESTE TIPO DE PROM SÓ PODE SER APAGADA E PROGRAMADA UTILIZANDO-SE APARELHOS EXISTENTES EM LABORATÓRIO ELETRÔNICOS, COMO EMISSORES DE LUZ ULTRAVIOLETA, ETC.

20 MEMÓRIA ROM TIPOS EEPROM (ELETRICAL ERASABLE PROM) ESTA MEMÓRIA É UMA EPROM APAGÁVEL POR PROCESSO ELETRÔNICO, SOB CONTROLE DA UCP, COM EQUIPAMENTO E PROGRAMAS ADEQUADOS. É MAIS CARA E É GERALMENTE UTILIZADA EM DISPOSITIVOS AOS QUAIS SE DESEJA PERMITIR A ALTERAÇÃO. FLASH EEPROM - ESTA PROM PODE SER APAGADA E REPROGRAMADA SEM O USO DE APARELHOS ESPECÍFICOS. NA VERDADE, BASTA UM PROGRAMA ESPECIAL PARA APAGÁ-LA E REPROGRAMÁ-LA. ATUALMENTE, QUASE TODOS AS PLACAS MÃES DISPONÍVEIS NO MERCADO POSSUEM EEPROMS PARA ARMAZENAR O BIOS, PERMITINDO ASSIM O FAMOSO UPGRADE OU ATUALIZAÇÃO DE BIOS. AS MEMÓRIAS EEPROM ENCONTRADAS NAS ATUAIS PLACAS-MÃE SÃO CHAMADAS DE FLASH-ROM OU FLASH-BIOS.

21 MEMÓRIA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY) A RAM É UM TIPO DE MEMORIA VOLÁTIL, OU SEJA, A MESMA NÃO MANTÉM AS INFORMAÇÕES SEM QUE A MESMA NÃO ESTEJA ENERGIZADA, SENDO ASSIM, AS INFORMAÇÕES SÃO APAGADAS POR FALTA DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA. CASO UMA INFORMAÇÃO NÃO ESTÁ DISPONÍVEL NA MEMÓRIA, ELA É CARREGADA PARA QUE A UCP POSSA UTILIZÁ-LA. UMA OBSERVAÇÃO DEVE SER FEITA, PARA QUE A VELOCIDADE DAS INFORMAÇÕES SEREM PROCESSADAS COM RAPIDEZ, USA-SE UM OUTRO TIPO DE MEMÓRIA, A SRAM CHAMADA DE MEMÓRIA CACHE.

22 MEMÓRIA RAM A MEMÓRIA RAM PODE SER ENCONTRADA EM VÁRIOS FORMATOS DIFERENTES. ATUALMENTE O MAIS COMUM É ENCONTRARMOS A MEMÓRIA NUM FORMATO DE MÓDULO, TAMBÉM CHAMADO DE PENTE DE MEMÓRIA. UM TÍPICO MÓDULO DE MEMÓRIA PODE SER VISTO NA FIGURA ABAIXO.

23 SRAM - STATIC RAM OU RAM ESTÁTICA O CONTEÚDO DE CADA POSIÇÃO SE MANTÊM ENQUANTO EXISTIR ENERGIA ALIMENTANDO O CIRCUITO. UTILIZADAS COMO MEMÓRIAS CACHE (ASSOCIADAS AO PROCESSADOR) DRAM DINAMYC RAM OU RAM DINÂMICA CÉLULAS DE MEMÓRIA CONSTITUÍDAS POR ELEMENTOS CAPACITIVOS, QUE CONSEGUEM MANTER O NÍVEL LÓGICO DURANTE UM CURTO ESPAÇO DE TEMPO NECESSITAM DE REFRESCAMENTO PARA REPOR OS NÍVEIS LÓGICOS. COM MAIOR CAPACIDADE E COM CUSTOS MAIS BAIXOS DO QUE AS MEMÓRIAS ESTÁTICAS, MAS MAIS LENTAS. UTILIZADAS COMO A MEMÓRIA PRINCIPAL DE UM COMPUTADOR.

24 ENHANCED DRAM A EPRAM INTEGRA UMA PEQUENA MEMÓRIA CACHE SRAM EM UMA PASTILHA DE DRAM GENÉRICA. A EDRAM TEM UM DESEMPENHO IGUAL OU MELHOR QUE A MEMÓRIA DRAM COMUM ASSOCIADO A UMA MEMÓRIA SRAM EXTERNA, POREM DE MENOR TAMANHO.

25 CACHE DRAM CHAMADA TAMBÉM DE CDRAM, É SIMILAR À EDRAM INCLUINDO UMA CACHE DE SRAM MAIOR QUE A DA EDRAM. NA CDRAM, A MEMÓRIA SRAM PODE SER USADA DE DOIS MODOS: COMO UMA MEMÓRIA CACHE PROPRIAMENTE DITA, CONSISTE EM CERTO NUMERO DE LINHAS DE 64 BITS, DIFERENTE DA EDRAM QUE UTILIZA SOMENTE A LINHA MAIS RECENTE. PODE SER USADA COMO ÁREA DE ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO PARA DAR SUPORTE AO ACESSO SEQUENCIAL A UM BLOCO DE DADOS.

26 DRAM SÍNCRONA A TROCA DE DADOS ENTRE A SDRAM E O PROCESSADOR É SINCRONIZADA POR UM SINAL DO RELÓGIO EXTERNO E EXECUTADA NA VELOCIDADE DO BARRAMENTO DO PROCESSADOR E DA MEMÓRIA SEM ESTADO DE ESPERA. COMO O ACESSO É SÍNCRONO, O PROCESSADOR OU QUALQUER OUTRO MESTRE DE BARRAMENTO ENVIA UMA INSTRUÇÃO E OS DADOS SÃO ENDEREÇADOS PARA A DRAM, QUE RESPONDE APÓS UM DETERMINADO NUMERO DE CICLOS DE RELÓGIO. A MEMORIA SDRAM UTILIZA UMA ARQUITETURA INTERNA COM DOIS BANCOS DE DADOS, O QUE AUMENTA AS OPORTUNIDADES DE PARALELISMO INTERNO. A SDRAM DIFERE DE UMA DRAM CONVENCIONAL ATRAVÉS DO REGISTRADOR, QUE ESPECIFICA O TAMANHO DA SEQUENCIA DE DADOS, OU SEJA, A UNIDADES DE DADOS A SEREM TRANSFERIDAS SINCRONAMENTE POR MEIO DO BARRAMENTO.

27 RAMBUS DRAM O BARRAMENTO ESPECIAL RDRAM UTILIZA UM PROTOCOLO ASSÍNCRONO ORIENTADO A BLOCOS PARA O ENVIO DE ENDEREÇO E INFORMAÇÕES DE CONTROLE. EM VEZ DE SER EXPLICITAMENTE CONTROLADA PELOS SINAIS RAS, CAS, R/W E CE, UTILIZADOS NAS DRAMS CONVENCIONAIS, UMA RORAM RECEBE REQUISIÇÕES DE ACESSO À MEMÓRIA POR MEIO DO BARRAMENTO DE ALTA VELOCIDADE. UMA REQUISIÇÃO CONTÉM O ENDEREÇO DESEJADO, O TIPO DA OPERAÇÃO E O NÚMERO DE BYTES A SEREM TRANSFERIDOS.

28 ACESSO A MEMÓRIA COMO A CPU ENXERGA A MEMÓRIA (UNIDIMENSIONAL, BYTES) COMO A MEMÓRIA É ORGANIZADA MATRIZ BIDIMENSIONAL, BITS) RAS E CAS (LINHA E COLUNA) RAS ROW ADDRESS STROBE CAS COLUMN ADDRESS STROBE

29 ACESSO A DADOS Valor CAS 8ª coluna Valor RAS 9ª linha Bit a ser executado

30 LATÊNCIA LATÊNCIA TEMPO PARA BUSCA E LEITURA DEDADOS. OS VALORES (RAS E CAS) DE LATÊNCIA DAS MEMÓRIAS SÃO VALORES QUE AFETARÃO DIRETAMENTE NO DESEMPENHO DA MEMÓRIA. É POSSÍVEL MUDAR "A VONTADE", PORÉM HÁ UM VALOR LIMITE, DEPOIS DESSE VALOR AFETARÁ A ESTABILIDADE DA MEMÓRIA. VOCÊ PODE SETAR ESSES VALORES DIRETAMENTE NA BIOS DO SEU SISTEMA. AQUI VAI UMA BREVE DESCRIÇÃO DE CADA UM, LEMBRANDO QUE, QUANTO MENOR O NÚMERO, MAIOR O DESEMPENHO. CUIDADO É RECOMENDADO DEIXAR A BIOS SETAR AUTOMATICAMENTE OS FATORES CAS, RAS, ETC. ELA SEMPRE COLOCA OS PARÂMETROS SUPORTADOS PELO CHIP DE MEMÓRIA QUE ESTÁ CONECTADO NO PC.

31 ENCAPSULAMENTO DIP SIMM DIMM SODIMM DDR DIMM RIMM

32 ENCAPSULAMENTO DIP ENCAPSULAMENTO FUNÇÕES: PROTEGER DISSIPAR CALOR SOLDADOS OU ENCAIXADOS DIRETAMENTE NA PLACA MÃE (POUCO PRÁTICO)

33 ENCAPSULAMENTO SIMM (SINGLE INLINE MEMORY MODULE) UMA ÚNICA LINHA DE CONTATO. 30 OU 72 PINOS. BARRAMENTO DE DADOS: 8 OU 32 BITS. NECESSIDADE DE SE USAR VÁRIAS PLACAS PARA COMPOR UM BANCO DE MEMÓRIA.

34 ENCAPSULAMENTO DIMM (DUAL INLINE MEMORY MODULE) CONTATOS DOS DOIS LADOS 168 PINOS BARRAMENTO DE 64 BITS

35 ENCAPSULAMENTO DDR DIMM E RIMM AMBAS POSSUEM 184 PINOS DDR DIMM: USADO PELA DDR SDRAM RIMM: USADO PELA RDRAM (RAMBUS) DDR RIMM

36 SOBRE MEMÓRIAS DO TIPO DDR SÃO MEMORIAS DO TIPO SDRAM(SYNCHRONOUS DYNAMIC RANDOM ACCESS MEMORY). DDR SIGNIFICA DOUBLE DATE RATE (TAXA DE TRANSFERÊNCIA DOBRADA). SIGNIFICA QUE COM O MESMO CLOCK CONSEGUEM O DOBRO DE DESEMPENHO. EX.: DDR TRABALHA COM 400 MHZ DDR TRABALHA COM 533 MHZ NOMECLATURA DDRX-YYYY ONDE X É A GERAÇÃO DA TECNOLOGIA E YYYY É O CLOCK DA MEMÓRIA

37 MEMÓRIA CACHE MEMÓRIA CACHE É UM TIPO DE MEMÓRIA DE ALTA VELOCIDADE QUE FICA PRÓXIMA À CPU E CONSEGUE ACOMPANHAR A VELOCIDADE DE TRABALHO DA CPU. POR SER UMA MEMÓRIA DE ALTA VELOCIDADE ELA É DIFÍCIL DE SER PRODUZIDA E POR ISSO MESMO MUITO CARA. É BOM LEMBRAR QUE, AO INVÉS DA TECNOLOGIA DRAM, USA-SE A TECNOLOGIA SRAM PARA A PRODUÇÃO DE CHIPS DE MEMÓRIA CACHE.

38 MEMÓRIA CACHE A IDEIA POR TRÁS DO CACHE É MUITO SIMPLES: COLOCAR NA MEMÓRIA CACHE OS DADOS E INSTRUÇÕES QUE SÃO MAIS COMUMENTE UTILIZADOS PELO PROCESSADOR. É A REGRA 80/20, OU SEJA, 20% DOS DADOS/INSTRUÇÕES/ETC. SÃO USADOS 80% DAS VEZES NO MICRO. ASSIM SE ESTES DADOS/INSTRUÇÕES/ETC. ESTIVEREM NO CACHE, QUE É MUITO MAIS RÁPIDO QUE A MEMÓRIA RAM NORMAL, O DESEMPENHO DO MICRO SERÁ MUITO MELHOR.

39 MEMÓRIA CACHE CACHE HIT / CACHE MISS SE O PROCESSADOR PRECISA DE UMA INFORMAÇÃO E ELA ESTÁ NO CACHE, ÓTIMO, A INFORMAÇÃO É ACESSADA E O DESEMPENHO É ALTO. QUANDO ISSO ACONTECE, CHAMAMOS DE CACHE HIT ("ACERTO"). PORÉM SE A INFORMAÇÃO NÃO ESTIVER NO CACHE, ELA VAI TER QUE SER LIDA DA MEMÓRIA RAM, O QUE É UM PROCESSO MAIS LENTO. ESTE CASO É CHAMADO DE CACHE MISS ("ERRO"). A IDEIA É FAZER COM QUE O NÚMERO DE CACHE HITS SEJA MUITO MAIOR QUE O NÚMERO DE CACHE MISSES.

40 MEMÓRIA CACHE - NÍVEIS DE ACORDO COM A PROXIMIDADE DO PROCESSADOR SÃO ATRIBUÍDOS NÍVEIS DE CACHE. ASSIM, A MEMÓRIA CACHE MAIS PRÓXIMA DA CPU RECEBE O NOME DE CACHE L1 (DO INGLÊS "LEVEL 1" OU NÍVEL 1). SE HOUVER OUTRO CACHE MAIS DISTANTE DA CPU ESTE RECEBERÁ O NOME DE CACHE L2 E ASSIM POR DIANTE.

41 MEMÓRIA AUXILIAR DISCO MAGNÉTICOS RÍGIDOS - DISCOS DE METAL, COBERTO EM AMBOS OS LADOS, POR UMA SUPERFÍCIE MAGNETIZÁVEL. OS DISCOS GIRAM A VELOCIDADES MUITO ELEVADAS (POR EX.: 5000 RPM) E AS CABEÇAS DE LEITURA / GRAVAÇÃO NÃO TOCAM A SUPERFÍCIE, FLUTUAM A UMA DISTÂNCIA DE ALGUNS MICRONS (10-6M). O MAIOR RISCO DE FALHA É A ATERRISSAGEM DAS CABEÇAS QUE CAUSA PERDA TOTAL DO DISCO E, PRATICAMENTE, DE TODOS OS DADOS GRAVADOS.

42 MEMÓRIA AUXILIAR FLEXÍVEIS - DISCO DE MATERIAL PLÁSTICO, FLEXÍVEL, E COBERTO EM AMBAS AS FACES POR UMA SUPERFÍCIE MAGNETIZÁVEL. AS CABEÇAS DE LEITURA / GRAVAÇÃO TOCAM A SUPERFÍCIE, O QUE PROVOCA UM DESGASTE DE AMBAS AS PARTES. PARA REDUZIR ESTE DESGASTE, AS CABEÇAS SÃO RECOLHIDAS E A ROTAÇÃO É INTERROMPIDA ENQUANTO A UNIDADE NÃO ESTÁ LENDO OU GRAVANDO.

43 MEMÓRIA AUXILIAR USAM TECNOLOGIA LASER E POSSUEM DENSIDADE DE GRAVAÇÃO MUITO SUPERIORES A DOS DISCOS MAGNÉTICOS. EXEMPLO: CDROM - COMPACT DISC READ ONLY MEMORY (SÓ PODEM SER LIDOS) ENTRE OUTROS.

44 MEMÓRIA AUXILIAR FITAS MAGNÉTICAS SÃO DISPOSITIVOS DE ACESSO SEQUENCIAL E DE TAXA DE TRANSFERÊNCIA MAIS BAIXA QUE OS DISCOS, MAIS BARATAS E MUITO UTILIZADAS PARA BACKUP. USA O CONCEITO DE FRAME QUE AGRUPADOS FORMAM UM REGISTRO FÍSICO.

45 MEMÓRIA PRINCIPAL - ORGANIZAÇÃO EM PRIMEIRO LUGAR SERÁ MOSTRADA A ESTRUTURA ORGANIZACIONAL DA MP, PROJETADA PARA UM ACESSO RÁPIDO E FÁCIL DA UCP. O MEMÓRIA PRINCIPAL É A PARTE DO COMPUTADOR ONDE PROGRAMAS E DADOS SÃO ARMAZENADOS PARA PROCESSAMENTO. A INFORMAÇÃO PERMANECE NA MEMÓRIA PRINCIPAL APENAS ENQUANTO FOR NECESSÁRIA PARA A UCP, DESTA FORMA, QUANDO A UCP NÃO PRECISA MAIS DA INFORMAÇÃO, A ÁREA DE MP OCUPADA PODE SER LIBERADA PARA SER POSTERIORMENTE SOBREGRAVADA POR OUTRA INFORMAÇÃO. QUEM CONTROLA A UTILIZAÇÃO DA MEMÓRIA PRINCIPAL É O SISTEMA OPERACIONAL.

46 MEMÓRIA PRINCIPAL A MEMÓRIA PRECISA TER UMA ORGANIZAÇÃO QUE PERMITA AO COMPUTADOR GUARDAR E RECUPERAR INFORMAÇÕES QUANDO NECESSÁRIO. NÃO TERIA NENHUM SENTIDO ARMAZENAR INFORMAÇÕES QUE NÃO FOSSE POSSÍVEL RECUPERAR DEPOIS. PORTANTO, NÃO BASTA TRANSFERIR INFORMAÇÕES PARA A MEMÓRIA. É PRECISO TER COMO ENCONTRAR ESSA INFORMAÇÃO MAIS TARDE, QUANDO ELA FOR NECESSÁRIA, E PARA ISSO É PRECISO HAVER UM MECANISMO QUE REGISTRE EXATAMENTE ONDE A INFORMAÇÃO FOI ARMAZENADA. PARA MELHOR DESCREVER A ORGANIZAÇÃO DE UMA MP, APRESENTAR-SE-Á ALGUNS CONCEITOS.

47 ESTRUTURA DA MEMÓRIA PRINCIPAL PALAVRA CÉLULA - ENDEREÇO A MEMÓRIA PRECISA TER UMA ORGANIZAÇÃO QUE PERMITA AO COMPUTADOR GUARDAR E RECUPERAR INFORMAÇÕES QUANDO NECESSÁRIO. NÃO TERIA NENHUM SENTIDO ARMAZENAR INFORMAÇÕES QUE NÃO FOSSE POSSÍVEL RECUPERAR DEPOIS. PORTANTO, NÃO BASTA TRANSFERIR INFORMAÇÕES PARA A MEMÓRIA. É PRECISO TER COMO ENCONTRAR ESSA INFORMAÇÃO MAIS TARDE, QUANDO ELA FOR NECESSÁRIA, E PARA ISSO É PRECISO HAVER UM MECANISMO QUE REGISTRE EXATAMENTE ONDE A INFORMAÇÃO FOI ARMAZENADA.

48 ESTRUTURA DA M.P. - PALAVRA PALAVRA: É A UNIDADE DE INFORMAÇÃO DO SISTEMA CPU/MP QUE DEVE REPRESENTAR O VALOR DE UM NÚMERO OU UMA INSTRUÇÃO DE MÁQUINA. QUASE TODOS OS FABRICANTES DE COMPUTADORES PADRONIZARAM O TAMANHO DA CÉLULA EM 8 BITS, CHAMADO DE BYTE. OS BYTES SÃO AGRUPADOS EM PALAVRAS. EX.: UM COMPUTADOR COM UMA PALAVRA DE 32 BITS POSSUI 4BYTES/PALAVRA.

49 ESTRUTURA DA M.P. - PALAVRA CONSISTE NO NÚMERO DE BITS QUE É IDENTIFICADO E LOCALIZADO POR UM ENDEREÇO. A MP É ORGANIZADA EM UNIDADE DE ARMAZENAMENTO, DENOMINADAS CÉLULAS. CÉLULA É A MENOR UNIDADE DA MEMÓRIA QUE PODE SER ENDEREÇADA (NÃO É POSSÍVEL BUSCAR UMA "PARTE" DA CÉLULA) E TEM UM TAMANHO FIXO (PARA CADA MÁQUINA). AS MEMÓRIAS SÃO COMPOSTAS DE UM DETERMINADO NÚMERO DE CÉLULAS OU POSIÇÕES. CADA CÉLULA É COMPOSTA DE UM DETERMINADO NÚMERO DE BITS.

50 ESTRUTURA DA M.P. - ENDEREÇO CADA CÉLULA É IDENTIFICADA POR UM ENDEREÇO ÚNICO, PELO QUAL A CÉLULA É REFERENCIADA PELO SISTEMA E PELOS PROGRAMAS. AS CÉLULAS SÃO NUMERADAS SEQUENCIALMENTE, UMA A UMA, DE 0 A (N-1), CHAMADO O ENDEREÇO DA CÉLULA. ENDEREÇO É O LOCALIZADOR DA CÉLULA, QUE PERMITE IDENTIFICAR UNIVOCAMENTE UMA CÉLULA. ASSIM, CADA CÉLULA PODE SER IDENTIFICADA PELO SEU ENDEREÇO.

51 MEMÓRIA PRINCIPAL - ENDEREÇO, CONTEÚDO E POSIÇÃO

52 ORGANIZAÇÃO BÁSICA DA MP

53 CONSIDERAÇÕES SOBRE A ORGANIZAÇÃO DA MP A QUANTIDADE DE BITS QUE PODE SER ARMAZENADA EM CADA CÉLULA (VALOR M DA FIGURA ANTERIOR) É UM REQUISITO DEFINIDO PELO FABRICANTE. A QUANTIDADE DE BITS DO NÚMERO QUE REPRESENTA UM DETERMINADO ENDEREÇO, DEFINE A QUANTIDADE MÁXIMA DE ENDEREÇOS QUE UMA MP PODE TER, BEM COMO O SEU ESPAÇO DE ENDEREÇAMENTO.

54 OPERAÇÕES COM A MP É POSSÍVEL REALIZAR DUAS OPERAÇÕES EM UM MP: ESCRITA E LEITURA. PARA DESCREVER COMO ESTAS OPERAÇÕES SE REALIZAM, É NECESSÁRIO ANTES DESCREVER OS ELEMENTOS QUE ESTÃO ENVOLVIDOS.

55 BARRAMENTOS DE COMUNICAÇÃO ENTRE CPU E MP

56 BARRAMENTO DE DADOS INTERLIGA O RDM (MBR) À MP PARA A TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÕES ENTRE A UCP E A MP, SENDO AS MESMAS BIDIRECIONAL. REGISTRADOR DE DADOS DA MEMÓRIA(RDM) (MEMORY BUFFER REGISTER - MBR) REGISTADOR QUE ARMAZENA TEMPORARIAMENTE A INFORMAÇÃO (CONTEÚDO DA CÉLULA) QUE ESTÁ SENDO TRANSFERIDA DA MP PARA A UCP. REGISTRADOR DE ENDEREÇOS DE MEMÓRIA (REM) (MEMORY ADDRESS REGISTER MAR) REGISTRADRO QUE ARMAZENA TEMPORARIAMENTE O ENDEREÇO DE ACESSO A UMA POSIÇÃO DA MEMÓRIA AO SE INICIAR UMA OPERAÇÃO DE LEITURA OU ESCRITA.

57 BARRAMENTO DE ENDEREÇOS INTERLIGA A REM (MAR) A MP PARA A TRANSFERÊNCIA DOS BITS QUE REPRESENTAM UM DETERMINADO ENDEREÇO, SENDO UNIDIRECIONAL, POIS SOMENTE A UCP PODE ACIONA A MP PARA LEITURA OU ESCRITA. BARRAMENTO DE CONTROLE INTERLIGA A UCP À MP PARA A PASSAGEM DE SINAIS DE CONTROLE DURANTE A OPERAÇÃO DE LEITURA E ESCRITA, SENDO BIDIRECIONAL POIS A UCP ENVIA SINAIS DE CONTROLE E A MP ENVIA SINAIS DO TIPO WAIT (FAZ A UCP GUARDAR O TEMPO DE OPERAÇÃO).

58 Operação de Leitura 1) (REM) (outro reg.) a) Endereço colocado no barramento de endereços 2) Sinal de leitura no barramento de controle 3) (RDM) (MP (REM)) 4) (outro reg.) (RDM)

59 MEMÓRIA PRINCIPAL - CAPACIDADE CAPACIDADE DE MEMÓRIA É A QUANTIDADE DE INFORMAÇÕES QUE NELA PODEM SER ARMAZENADAS EM UM INSTANTE DE TEMPO. A UNIDADE BÁSICA DE REPRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÃO É O BIT. EX: BITS. PARA SIMPLIFICAR PODEMOS ESCREVER DA SEGUINTE FORMA: 16 KB = 16 X 2 10 BITS. ESSA, ENTRETANTO, NÃO É A MELHOR MANEIRA DE QUANTIFICAR A CAPACIDADE DE MEMÓRIA. PARA TAL USAMOS A QUANTIDADE DE CÉLULAS PARA REPRESENTAR ESSA CAPACIDADE. A MAIORIA DOS COMPUTADORES POSSUI UMA CÉLULA DE MEMÓRIA NO TAMANHO DE 8 BITS = 1 BYTE.

60 MEMÓRIA PRINCIPAL - CAPACIDADE ENTRE AS RAZÕES PARA ESTA ATITUDE, TEMOS: O BIT, APESAR DE SER A UNIDADE ELEMENTAR DE REPRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÃO NOS COMPUTADORES, INDIVIDUALMENTE NÃO REPRESENTA NENHUMA INFORMAÇÃO ÚTIL (EXCETO COMO VARIÁVEL LÓGICA). PARA REPRESENTAR UMA INFORMAÇÃO ÚTIL, SERIAM NECESSÁRIOS MAIS BITS PARA SE PODER CODIFICAR VÁRIOS ELEMENTOS DE UM CONJUNTO QUALQUER. OS TEMPOS DE TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÕES ENTRE UCP E MP (TEMPO DE ACESSO) SÃO DECORRENTES DE VÁRIOS FATORES (TIPOS DE CIRCUITOS, DISTÂNCIA FÍSICA, DURAÇÃO DO CLOCK DA UCP, ETC.), SENDO O MENOS IMPORTANTE A QUANTIDADE DE BITS.

61 MEMÓRIA PRINCIPAL - CAPACIDADE DESTA FORMA REPRESENTAMOS A CAPACIDADE DA MEMÓRIA PELA QUANTIDADE DE CÉLULAS, JÁ QUE ISTO INDICA O ESPAÇO DE ENDEREÇAMENTO, A QUANTIDADE DE ENDEREÇOS QUE A REFERIDA MEMÓRIA PODE MANIPULAR. COMO NÃO PODEMOS ARMAZENAR DOIS NÚMEROS AO MESMO ENDEREÇO, A QUANTIDADE DE ENDEREÇOS TEM MAIS SENTIDO DE INDIVIDUALIDADE DE INFORMAÇÃO DO QUE QUALQUER OUTRA UNIDADE.

62 MEMÓRIA PRINCIPAL - CÁLCULOS UMA MEMÓRIA RAM É UM CONJUNTO DE N CÉLULAS, CADA UMA ARMAZENANDO UM VALOR COM M BITS. ENTÃO, A QUANTIDADE DE ENDEREÇOS CONTIDA NO ESPAÇO ENDEREÇÁVEL DA REFERIDA RAM É TAMBÉM IGUAL A N, VISTO QUE CADA CONTEÚDO DE CÉLULA ESTÁ ASSOCIADO UM NÚMERO, QUE É O SEU ENDEREÇO. N REPRESENTA A CAPACIDADE DE MEMÓRIA, ATRAVÉS DA QUANTIDADE DE CÉLULAS OU DE ENDEREÇOS. O VALOR DE M INDICA A QUANTIDADE DE BITS QUE PODEM SER ARMAZENADOS EM UMA CÉLULA.

63 MEMÓRIA PRINCIPAL - CÁLCULOS COMO 1 BIT REPRESENTA APENAS UM ENTRE DOIS VALORES (BASE BINÁRIA), ENTÃO PODEMOS CONCLUIR QUE: PODE-SE ARMAZENAR EM CADA CÉLULA UM VALOR ENTRE 0 E (2 M 1), PORÉM UM DE CADA VEZ. SÃO 2 M COMBINAÇÕES POSSÍVEIS. POR EXEMPLO, SE M = 8 BITS, TEMOS 2 8 = 256. SERIAM ARMAZENADOS VALORES ENTRE: (0 10 OU 0 16) E ( OU FF 16 ).

64 MEMÓRIA PRINCIPAL - CÁLCULOS A MEMÓRIA TEM N ENDEREÇOS: N = 2 E, SENDO E = QUANTIDADE DE BITS DOS NÚMEROS QUE REPRESENTAM CADA UM DOS N ENDEREÇOS. POR EXEMPLO, SE N=512 (512 CÉLULAS), ENTÃO, 512 = 2 E, OU E=9, POIS 2 9 =512.

65 MEMÓRIA PRINCIPAL - CÁLCULOS O TOTAL DE BITS QUE PODEM SER ARMAZENADOS NA REFERIDA MEMÓRIA É T, SENDO: T = N X M OU T = 2 E X M DO EXEMPLO ANTERIOR TEMOS: N = 512 CÉLULAS, M = 8 BITS, E = 9 BITS, T = 4096 BITS N = 2 E, 512 = 2 9 T = N X M = 2 E X M = 4096 BITS = 4K BITS

66 EXEMPLO Uma memória RAM tem um espaço máximo de endereçamento de 2K. Cada célula pode armazenar 16 bits. Qual o valor total de bits que podem ser armazenados nesta memória e qual o tamanho de cada endereço? Se o espaço máximo endereçável é 2K, então N = 2K 1 célula = 16 bits. Então: M = 16 bits N = 2 E, N = 2K = 2 x 1024 = 2 1 x 2 10 = 2 11 Se N = 2 E e 2 11, então: 2 E = 2 11 e E = 11 E = quantidade de bits de cada número que expressa um endereçamento, ou seja: os endereços de cada célula são números que têm 11 bits. T = N x M = 2 11 x 16 = 2 15 = 32Kbits

67 EXEMPLO Uma memória RAM é fabricada com a possibilidade de armazenar um máximo de 256 kbits. Cada célula pode armazenar 8 bits. Qual é o tamanho de cada endereço e qual é o total de células que podem ser utilizadas na RAM? Total de bits = T = 256K = = célula = 8 bits = M = 2 3 Sendo T = N x M, então: N = T/M = 2 18 /2 3 = 2 15 Se N = 2 E, então: 2 15 = 2 E, E = 15 N = 2 15 = = 32k Tamanho de cada endereço é 15 bits (E) Total de células: 32K (N)

68 EXERCÍCIOS 1. UMA MEMÓRIA RAM TEM UM ESPAÇO MÁXIMO DE ENDEREÇAMENTO DE 6K. CADA CÉLULA PODE ARMAZENAR 8 BITS. QUAL O VALOR TOTAL DE BITS QUE PODEM SER ARMAZENADOS NESTA MEMÓRIA E QUAL O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO? 2. UMA MEMÓRIA RAM É FABRICADA COM A POSSIBILIDADE DE ARMAZENAR UM MÁXIMO DE 128KBITS. CADA CÉLULA PODE ARMAZENAR 32 BITS. QUAL É O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO E QUAL É O TOTAL DE CÉLULAS QUE PODEM SER UTILIZADAS NA RAM? 3. UMA MEMÓRIA RAM TEM UM ESPAÇO MÁXIMO DE ENDEREÇAMENTO DE 10K E PODE ARMAZENAR NO MÁXIMO DE 512 KBITS. QUAL O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO E TAMANHO DE CÉLULAS QUE PODEM SER UTILIZADAS NA RAM? 4. UMA MEMÓRIA RAM É FABRICADA COM A POSSIBILIDADE DE ARMAZENAR UM MÁXIMO DE 1024KBITS. CADA CÉLULA PODE ARMAZENAR 32 BITS. QUAL É O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO E QUAL É O TOTAL DE CÉLULAS QUE PODEM SER UTILIZADAS NA RAM?

69 EXERCÍCIOS 5) NUMA MP COM 1KBYTE DE CAPACIDADE, ONDE CADA CÉLULA TEM 8 BITS: A) QUANTAS CÉLULAS TEM A MP? B) QUANTOS BITS SÃO NECESSÁRIOS PARA REPRESENTAR UM ENDEREÇO DE MEMÓRIA? 6) UM COMPUTADOR ENDEREÇA 1K CÉLULAS DE 16 BITS CADA UMA. PEDE-SE: A) SUA CAPACIDADE DE MEMÓRIA; B) O MAIOR ENDEREÇO QUE O COMPUTADOR PODE ENDEREÇAR. 7) UMA MEMÓRIA RAM TEM UM ESPAÇO MÁXIMO DE ENDEREÇAMENTO DE C800 (16) BITS E PODE ARMAZENAR NO MÁXIMO DE (8) BITS. QUAL O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO E TAMANHO DE CÉLULAS QUE PODEM SER UTILIZADAS NA RAM? 8) UMA MEMÓRIA RAM É FABRICADA COM A POSSIBILIDADE DE ARMAZENAR UM MÁXIMO DE (8) BITS. CADA CÉLULA PODE ARMAZENAR 20 (16) BITS. QUAL É O TAMANHO DE CADA ENDEREÇO E QUAL É O TOTAL DE CÉLULAS QUE PODEM SER UTILIZADAS NA RAM?

70 MEMORIA CACHE COMO DESDE O INICIO DO DESENVOLVIMENTO DAS ARQUITETURAS DE COMPUTADORES HOUVE A NECESSIDADE DE MAIOR VELOCIDADE DE PROCESSAMENTO, OCORREU QUE AS PESQUISAS SE CONCENTRARAM NO DESENVOLVIMENTO DA UCP, TORNANDO-A ASSIM MAIS RÁPIDA. JÁ EM RELAÇÃO AS MEMORIAS FOI UTILIZADO UM CONCEITO DIFERENTE, BUSCOU-SE O AUMENTO DA CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO E NÃO A VELOCIDADE, FAZENDO ASSIM QUE MP SE TORNE BEM MAIS LENDA QUE O PROCESSAMENTO DA UCP. DESTA FORMA, CRIOU UM MEIO PARA DIMINUIR ESSE TEMPO, A MEMORIA CACHE, QUE TRABALHA ENTRE A UCP E MP. ESTAS MEMORIAS POSSUEM UMA MAIOR VELOCIDADE, MAIS AINDA NÃO A MESMA QUE A UCP.

71 MEMORIA CACHE É UMA MEMÓRIA RAM COM PEQUENO TEMPO DE ACESSO (ENTRE 10 NS A 25 NS) MEMÓRIA CACHE INTERNA (L1 NÍVEL 1) É INTEGRADA COM O PROCESSADOR (NORMALMENTE ENTRE 5 E 10 NS) MEMÓRIA CACHE L2 POSSUI TODO CIRCUITO NA PLACA-MÃE, MAIS COMO DITO ANTERIORMENTE ISTO VEM MUDANDO, ALGUNS PROCESSADORES JÁ POSSUI A CACHE L2 OU ATÉ MESMO A L3 INTEGRADA. GERALMENTE A CACHE L2 É MAIS LENTA E DE MAIOR CAPACIDADE, E ASSIM POR DIANTE CONFORME SE AUMENTA OS NÍVEIS.

72 MEMORIA CACHE DEVE SER MUITO MAIS RÁPIDA QUE A MEMÓRIA PRINCIPAL (O IDEAL SERIA DE 5 A 10 VEZES). ATUALMENTE É DE 2,5 A 3 VEZES MAIS RÁPIDA QUE A MEMÓRIA PRINCIPAL. SEU GERENCIAMENTO É REALIZADO POR HARDWARE. O PROCESSADOR NÃO TOMA CONHECIMENTO DA CACHE. EVENTUALMENTE É NECESSÁRIO INICIALIZAR O CONTROLADOR DE CACHE (P/ LIMPAR A MEMÓRIA), NESTE CASO O CONTROLE É POR SOFTWARE.

73 MEMORIA CACHE OS CONCEITOS MAIS IMPORTANTES DA MEMORIA CACHE É O DE VELOCIDADE E LOCALIDADE: VELOCIDADE COMO DITO ANTERIORMENTE, A MP É BEM MAIS LENTA QUE A UCP, FAZENDO DESTA FORMA QUE A UCP FIQUE PARADA POR ALGUNS CICLOS ENQUANTO A ESPERA A RESPOSTA DA MP. ESSE TEMPO DE ESPERA É CHAMADO DE WAIT STATE (ESTADO DE ESPERA). ESSE PROBLEMA SE DARIA COMO ENCERRADO SE TANTO A UCP COMO MP FOSSEM FABRICADAS COM O MESMO MATERIAL.

74 MEMORIA CACHE LOCALIDADE PODE-SE DEFINIR BASICAMENTE COMO UM FENÔMENO RELACIONADO COM O MODO PELO QUAL OS PROGRAMAS SÃO EXECUTADOS PELA UCP. CASO UM PROGRAMA ACESSE UMA PALAVRA DA MEMÓRIA, HÁ UM BOA PROBABILIDADE DE QUE VENHA ACESSAR ESSA PALAVRA NOVAMENTE, ESTE É O PRINCIPIO DA LOCALIDADE TEMPORAL. QUANDO ACESSA UMA PALAVRA DA MEMORIA, É PROVÁVEL QUE IRÁ ACESSAR UMA PALAVRA PRÓXIMA, OU SEJA, SUBSEQUENTE A PALAVRA ACESSA ANTERIORMENTE, ISTO CHAMAMOS DE LOCALIDADE ESPACIAL.

75 MEMORIA CACHE UTILIZAÇÃO DEVE-SE APROVEITAR AO MÁXIMO O CONCEITO DE LOCALIDADE PARA QUE A ASSIM POSSA UTILIZAR O MÁXIMO POSSÍVEL O CONJUNTO UCP E MEMORIA CACHE, DESTA FORMA O SISTEMA FUNCIONARIA DA SEGUINTE FORMA: SEMPRE QUE A UCP VAI BUSCAR A UMA NOVA INSTRUÇÃO, APÓS A BUSCA INICIAL, ELA ACESSA A MEMORIA CACHE. SE A INSTRUÇÃO ESTIVER NA CACHE, CHAMA-SE DE ACERTO (HIT), SENDO ASSIM TRANSFERIDA EM ALTA VELOCIDADE. SE A INSTRUÇÃO NÃO ESTIVER NA CACHE, CHAMA-SE DE ERRO (MISS), ENTÃO A UCP TRANSFERE A INSTRUÇÃO PARA A MP.

76 MEMORIA CACHE

77 MEMORIA CACHE PARA QUE O AUMENTO DE VELOCIDADE SEJA REALMENTE CONSIDERÁVEL, É NECESSÁRIO QUE PUDESSE ENCONTRAR MAIS ACERTOS DO QUE ERRO, DESTA FORMA, QUANTO MAIOR O NUMERO DE PALAVRA ENCONTRADAS NA CACHE, MAIS RÁPIDO SE TORNA O PROCESSAMENTO. COM ISSO, A TAXA DE ACERTO DEVE VARIAR ENTRE 80% A 99%, PARA QUE A MEMORIA SEJA CONSIDERADA REALMENTE RÁPIDA.

78 TIPOS DE MEMORIA CACHE PODEMOS DEFINIR DOIS TIPOS DE BÁSICOS DE EMPREGO DA MEMORIA CACHE: UCP/MP (CACHE DE RAM OU RAM CACHE) É O TIPO DE CACHE UTILIZADA PARA SUBSTITUIR A UTILIZAÇÃO DA MP PELA A UCP, ACELERANDO ASSIM O PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS DESEJADOS PELA UCP. MP/DISCOS (CACHE DE DISCO OU DISK CACHE) NESTE CASO O SISTEMA UTILIZA PARTE DA MEMORIA MP COMO UMA CACHE, OU SEJA, UTILIZA UM ESPAÇO DA MEMORIA RAM COMO CACHE DE DISCO, SENDO ASSIM FEITA A BUSCA DOS DADOS EM DISCOS E ALOCADAS NA MP.

79 NÍVEIS DE CACHE COMO AUMENTO MUITO RÁPIDO DAS TECNOLOGIAS DA UCP, FAZENDO-AS MAIS RÁPIDAS, HOUVE A NECESSIDADE DE AUMENTAR A CAPACIDADE DA MEMORIA CACHE, MAIS ISSO ENCARECERIA MUITO. DESTA FORMA OPTOU-SE POR CRIAR NÍVEIS DE MEMORIA CACHE, FAZENDO ASSIM UMA HIERARQUIA, SENDO ELAS COM CARACTERÍSTICAS DIFERENTES: NÍVEL 1(L1) : SEMPRE LOCALIZADA NO INTERIOR DO COMPUTADOR. NÍVEL 2(L2) : LOCALIZADA EM GERAL NA PLACA MÃE, MAIS HOJE EM DIA OS FABRICANTES JÁ AS COLOCAM DENTRO DA PASTILHA DO PROCESSADOR. NÍVEL 3(L3) : LOCALIZADA EXTERNAMENTE AO COMPUTADOR.

80 MEMORIA CACHE - CARACTERÍSTICAS BLOCO NORMALMENTE O TAMANHO DO BLOCO DA MEMORIA CACHE TEM CERCA DE 1% DO TAMANHO DOS BLOCOS DA MP, O QUE DIFERE PARA QUE ELA POSSA SER MAIS RÁPIDA SERIA A QUANTIDADE DE ACERTOS (HITS) QUE A MESMA PODE TER, CHEGANDO EM CERCA DE 90% A 95%. POR ESSA RAZÃO QUE OS FABRICANTES CADA VEZ MAIS TENTAM CRIAR MAIS NÍVEIS DE MEMORIA CACHE.

81 MEMORIA CACHE - CARACTERÍSTICAS TIPOS DE MAPEAMENTO DIRETO ASSOCIATIVO ASSOCIATIVO POR CONJUNTO.

82 MAPEAMENTO DIRETO CADA BLOCO DA MP TEM UMA LINHA DA CACHE PREVIAMENTE DEFINIDA PARA SER ARMAZENADA, E COMO EXISTE MAIS BLOCOS QUE LINHAS NA CACHE, SIGNIFICA QUE VÁRIOS BLOCOS ESTARÃO DESTINADOS A MESMA LINHA NA CACHE. EX:.: SE TEMOS UMA MEMORIA CACHE COM ENDEREÇAMENTO DE 4 GB PALAVRA CORRESPONDENTE A 64 KB, ASSIM TEREMOS 1024 (2 10 ) LINHAS, COM 64 BYTES DE DADOS CADA UMA. A MEMORIA PRINCIPAL ENTÃO TERÁ 64M BLOCOS DE 64 BYTES CADA.

83 MAPEAMENTO DIRETO VIMOS QUE MP POSSUI N PALAVRAS DIVIDIDAS EM BLOCOS B, E QUE A CACHE POSSUI K LINHAS DE 64 BYTES CADA, SENDO: B=N/K B = 4GB/64K = 64M BLOCOS. COMO HÁ 64M BLOCOS NA MP E 1024 LINHAS NA CACHE, ENTÃO CADA LINHA DEVERÁ CONTER BLOCOS (64 K = 2 16 ). A FIGURA ABAIXO EXEMPLIFICA ISSO.

84

85 MAPEAMENTO DIRETO PARA DEFINIR QUAIS BLOCOS DA MP SERÃO ALOCADOS A UMA LINHA ESPECIFICA, PODE-SE EFETUAR UM SIMPLES CALCULO, COMO DEMOSTRADO ABAIXO: EQ = ENDEREÇO DA LINHA DA CACHE (DESDE 0 ATÉ LINHAS) E = ENDEREÇO DE RAM(MP) QUE VAI DE ENDEREÇO 0 ATÉ 4GB -1 Q = QUANTIDADE DE LINHAS DA CACHE, SENDO NESTE EXEMPLO Q=1024 EQ = E MODULO Q. ENTÃO: PARA A LINHA 0 TEREMOS DESTINADOS BLOCOS DE 0, 1024, 2048, 3072 E ASSIM POR DIANTE, NUM TOTAL DE 64K. PARA A LINHA 1 TEREMOS DESTINADOS BLOCOS DE 1, 1024, 2049, 3073 E ASSIM POR DIANTE, NUM TOTAL DE 64K.

86 MAPEAMENTO DIRETO 6 BITS MENOS SIGNIFICATIVOS INDICAM A PALAVRA DE DADOS DESEJADA PELA UCP. COMO NO BLOCO B E NA LINHA Q HÁ 64 PALAVRAS (2 6 =64 E CADA ENDEREÇO DE PALAVRA TERÁ 6 BITS). 10 BITS DO MEIO INDICAM O ENDEREÇO DA LINHA CACHE, PORQUE 2 10 = 1024, E HÁ 1024 LINHAS. 16 BITS MAIS SIGNIFICATIVOS INDICAM QUAL BLOCO, ENTRE 64K BLOCOS ALOCADOS NAQUELA LINHA, É DESEJADO, ISSO PORQUE 2 16 = 64K. DESSE MODO CADA BLOCO ESTARÁ DIRETAMENTE MAPEADO A UMA LINHA ESPECIFICA DA CACHE.

87 MAPEAMENTO ASSOCIATIVO OS BLOCOS NÃO TEM UMA LINHA FIXADA PREVIAMENTE PARA O SEU ARMAZENAMENTO. SE FOR VERIFICADO QUE O BLOCO NÃO ESTÁ ARMAZENADA EM NENHUMA LINHA DA CACHE, ENTÃO O BLOCO SERÁ TRANSFERIDO PARA A CACHE SUBSTITUINDO UM BLOCO JÁ ARMAZENADO. MAIS QUE BLOCO SER SUBSTITUÍDO:? O ENDEREÇO DA MP É, NESTE CASO, DIVIDIDO EM 2 PARTES: 6 BITS MENOS SIGNIFICATIVOS PARA INDICAR A PALAVRA DESEJADA PELA UCP 26 BITS RESTANTES INDICAM O ENDEREÇO DO BLOCO DESEJADO.

88

89 MAPEAMENTO ASSOCIATIVO A DIFERENÇA É QUE O CAMPO TAG DE CADA LINHA DA CACHE TEM 26 BITS DE TAMANHO, ASSIM ARMAZENANDO O ENDEREÇO COMPLETO DO CÓDIGO. QUANDO A UCP REALIZA O ACESSO É VERIFICADO OS 26 BITS DE ENDEREÇO COMO OS 26 BITS ARMAZENADOS NO CAMPO TAG EM TODAS AS 1024 LINHAS, PARA ASSIM VERIFICAR SE ESTÁ OU NÃO NA CACHE. CASO AFIRMATIVO O BYTE DESEJADO É TRANSFERIDO, SENÃO O ENDEREÇO É USADO PARA CHEGAR A MEMORIA PRINCIPAL E TRAZE-LO PARA CACHE, CONFORME O ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO ESCOLHIDO.

90 MAPEAMENTO ASSOCIATIVO POR CONJUNTO ESTA TÉCNICA TENTA RESOLVER O CONFLITO DE BLOCOS EM UMA MESMA LINHA DO MAPEAMENTO DIRETO E A BUSCA EXAUSTIVA E COMPARAÇÃO DE CAMPO TAG DO MAPEAMENTO ASSOCIATIVO. DESTA FORMA, A TÉCNICA SE RESUME EM ORGANIZAR AS LINHAS DA CACHE EM GRUPOS, DENOMINADOS CONJUNTOS. A CACHE É DIVIDIDA EM C CONJUNTO DE D LINHAS, DE MODO QUE: QQ = CC DD K = E MODULO C SENDO K= ENDEREÇO DA LINHA DO CONJUNTO.

91 O ENDEREÇO DA MEMORIA PRINCIPAL É DIVIDIDO DA SEGUINTE FORMA: Tag Número do Conjunto Endereço da Palavra 17 bits 9 bits 6 bits POR EXEMPLO AO SE INICIAR UMA OPERAÇÃO DE LEITURA, O CONTROLADOR DA CACHE INTERPRETA OS BITS DO CAMPO DE CONJUNTOS PARA IDENTIFICAR QUAL O CONJUNTO DESEJADO. EM SEGUIDA O SISTEMA COMPARA NO CONJUNTO ENCONTRADO O VALOR DO CAMPO TAG DO ENDEREÇO COMO O VALOR DO CAMPO TAG DE CADA LINHA DO CONJUNTO ENCONTRADO.

92

93 ALGORITMOS DE SUBSTITUIÇÃO DE DADOS NA CACHE FIFO(FIRST-IN-FIRST-OUT ) FILA, OU SEJA, O PRIMEIRO A CHEGAR É O PRIMEIRO A SER ATENDIDO. O SISTEMA ESCOLHE O BLOCO QUE ESTÁ ARMAZENADO A MAIS TEMPO NA CACHE, INDEPENDENTE DE ESTAR SENDO USADO OU NÃO. LRU(LEAST-RECENTLY USED) O SISTEMA ESCOLHE PARA SER SUBSTITUÍDO O BLOCO QUE ESTÁ HÁ MAIS TEMPO SEM SER UTILIZADO. LFU(LEAST-FREQUENTLY USED) O SISTEMA ESCOLHE O BLOCO QUE TEM TIDO MENOS ACESSO POR PARTE DA UCP. RANDOM ESCOLHE-SE ALEATORIAMENTE UM BLOCO PARA SER SUBSTITUÍDO, INDEPENDENTE DE SUA SITUAÇÃO NO CONJUNTO.

94 POLÍTICA DE ESCRITA E CONSISTÊNCIA WRITE THROUGH CACHE E MEMÓRIA SÃO ATUALIZADAS SIMULTANEAMENTE WRITE BACK MEMÓRIA PRINCIPAL É ATUALIZADA QUANDO BLOCO É SUBSTITUÍDO USA DIRTY BIT PARA MARCAR LINHAS ALTERADAS NA CACHE

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