Arquitetura de Computadores. Professor: Vilson Heck Junior (Material: Prof. Douglas Juliani)

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1 Arquitetura de Computadores Professor: Vilson Heck Junior (Material: Prof. Douglas Juliani)

2 Agenda Conceitos importantes Hierarquia de memória Tipos de memória Características

3 Memórias visão geral ARMAZENAR (ESCRITA, WRITE) RECUPERAR (LEITURA, READ) 3 Org. e Arq. de Computadores

4 Memórias visão geral Elemento a ser manipulado : bit (armazena a informação na forma de bits) Unidade de informação a ser armazenada, recuperada ou transferida (célula) - Grupo de n bits (n = 8) 1 Byte ENDEREÇO: é o código de identificação da localização das células (informações). Operações: ESCRITA: transferência de informações de outro componente do sistema de computação para a memória (CPU memória) LEITURA: transferência de bits da memória para a CPU, disco. 4 Org. e Arq. de Computadores

5 Memórias visão geral Em um sistema de computação não é possível construir e utilizar apenas um tipo de memória. Para certas atividades, por exemplo, é fundamental que a transferência de informações seja a mais rápida possível. Outras atividades é preferido que os dados sejam armazenados por períodos mais longos. Memória de um computador subsistema - construída de vários componentes (vários tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar informações. 5 Org. e Arq. de Computadores

6 Memória Conceitos Importantes 6 Org. e Arq. de Computadores

7 Memória Conceitos Importantes Tempo de acesso Indica quanto tempo a memória gasta para colocar uma informação no barramento de dados após uma determinada posição ter sido endereçada. É um dos parâmetros que pode medir o desempenho da memória. Também chamado de latência, se mede em números de clock necessários. Denominação: tempo de acesso para leitura (ou tempo de leitura). 7 Org. e Arq. de Computadores

8 Memória Conceitos Importantes Tempo de acesso Dependente do modo como o sistema de memória é construído e da velocidade dos seus circuitos. Memórias eletrônicas - igual, independentemente da distância física entre o local de um acesso e o local do próximo acesso - acesso aleatório (direto). Dispositivos eletromecânicos (discos, fitas,..) - tempo de acesso varia conforme a distância física entre dois acessos consecutivos - acesso seqüencial. 8 Org. e Arq. de Computadores

10 Memória Conceitos Importantes Capacidade Quantidade de informação que pode ser armazenada em uma memória; Unidade de medida mais comum - byte, podem ser usadas outras unidades como células (no caso de memória principal ou cache), setores (no caso de discos) e bits (no caso de registradores). Dependendo do tamanho da memória, isto é, de sua capacidade, indica-se o valor numérico total de elementos de forma simplificada, através da inclusão de K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera). 10 Org. e Arq. de Computadores

12 Memória Conceitos Importantes Volatilidade Memórias podem ser do tipo volátil ou não volátil. Memória não volátil - retém a informação armazenada quando a energia elétrica é desligada. Ex.: Discos, Fitas. Memória volátil - perde a informação armazenada na ausência de energia elétrica. Ex.: Registradores, Memória Principal. É possível manter a energia em uma memória originalmente não volátil - uso de baterias. 12 Org. e Arq. de Computadores

14 Memória Tecnologias de Fabricação Tecnologias de fabricação Memórias de semicondutores Memórias de meio magnético Memórias de meio óptico 14 Org. e Arq. de Computadores

15 Memória Tecnologias de Fabricação Memórias de semicondutores Dispositivos fabricados com circuitos eletrônicos e baseados em semicondutores. Rápidas e relativamente caras, se comparadas com outros tipos. Há várias tecnologias específicas, cada uma com suas vantagens, desvantagens, velocidade, custo, etc.. Exemplos: Registradores, Memória Principal, Memória Cache e SSD. 15 Org. e Arq. de Computadores

16 Memória Classificação de Memórias Semicondutoras Tecnologias de Fabricação SRAM L/E - Leitura/Escrita (R/W - Read/Write) DRAM FPM DRAM EDO DRAM BEDO RAM RAM SDRAM RDRAM ROM (Somente Leitura) (Read Only Memory) ROM PROM EPROM 16 Org. e Arq. de Computadores EEPROM

17 Memória Memória R/W - Read and Write Tecnologias de Fabricação Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório e volátil. Pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM). SRAM - uso de circuitos transistorizados (flip-flops) mantém a informação enquanto estiver energizada, muito rápidas (~ns), usadas tipicamente como memórias cache. DRAM - uso de capacitores (1 transistor e 1 capacitor por bit, não usa flip-flops), necessita de refresh, alta capacidade de armazenamento (> densidade), mais lentas, usadas tipicamente como memória principal. Evolução: FPM DRAM (Fast Page Mode) assíncrona e mais antiga, EDO DRAM (Extended Data Output), também assíncrona, SDRAM (memórias Síncronas), etc. 17 Org. e Arq. de Computadores

18 Memória Tecnologias de Fabricação Flip-Flop S-R (SRAM) Esquema 1 Transistor e 1 Capacitor (DRAM) MOSFET word bit 18 Org. e Arq. de Computadores

19 Tecnologias de Memória R/W - Read and Write Fabricação DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM) É uma memória SDRAM muito mais avançada e que consegue trabalhar com o dobro do desempenho. Pode-se encontrá-la, a partir das placas-mãe equipadas com o processador AMD K7. DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5... RDRAM (Rambus DRAM) Baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramento proprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muito diferente das demais pois, permite a leitura e escrita de até 16 dados simultaneamente por circuito. Utilizadas, principalmente, em algumas máquinas de jogos e em aplicações gráficas muito intensivas. 19 Org. e Arq. de Computadores

20 Tecnologias de Fabricação ROM - Read Only Memory Memória apenas de leitura. Uma vez gravada não pode mais ser alterada. De acesso aleatório, não é volátil. Mais lenta que a R/W e mais barata. Pode ser programada por máscara ("mask programmed - MROM) em fábrica. Devido ao alto custo da máscara somente se torna econômica em grandes quantidades. MROM- O firmware era gravado durante a fabricação do circuito, com o auxílio de um filme fotográfico - máscara. As máscaras apresentam o inconveniente de serem caras e não permitem regravação. 20 Org. e Arq. de Computadores

21 Tecnologias de Fabricação ROM - Read Only Memory Utilizada geralmente para gravar programas que não se deseja permitir que o usuário possa alterar ou apagar (Ex.: o BIOS - Basic Input Output System e Microprogramas de Memórias de Controle). Outros tipos: PROM, EPROM, EEPROM e Flash. 21 Org. e Arq. de Computadores

22 PROM - Programmable Read Only Memory Tecnologias de Fabricação Memória apenas de leitura, programável. ROM programável com máquinas adequadas (chamadas queimadores de PROM). Geralmente é comprada "virgem" (sem nada gravado), sendo muito utilizada no processo de testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas. Uma vez programada (em fábrica ou não), não pode mais ser alterada. 22 Org. e Arq. de Computadores

23 EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory Tecnologias de Fabricação Memória apenas de leitura, programável (com queimadores de PROM) e apagável (com máquinas adequadas, à base de raios ultra-violeta). Tem utilização semelhante à da PROM, para testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas, com a vantagem de poder ser apagada e reutilizada. 23 Org. e Arq. de Computadores

24 Tecnologias de Fabricação EEPROM (ou E2PROM) - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Memória apenas de leitura, programável e eletronicamente alterável. Também chamada EAROM (Electrically Alterable ROM). EPROM apagável - processo eletrônico, sob controle da UCP (equipamento e programas adequados), menor e mais rápida que a EPROM. Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos quais se deseja permitir a alteração, via modem (carga de novas versões de programas à distância ou possibilitar a reprogramação dinâmica de funções específicas de um programa, geralmente relativas ao hardware, p.ex., reconfiguração de teclado, programação de terminal, etc). 24 Org. e Arq. de Computadores

25 Tecnologias de Fabricação Flash Funcionamento similar ao da EEPROM conteúdo total ou parcial da memória pode ser apagado normalmente por um processo de escrita. Apagadas e regravadas por blocos (o apagamento não pode ser efetuado ao nível de byte como na EEPROM), alta capacidade de armazenamento O termo flash foi imaginado devido à elevada velocidade de apagamento dessas memórias em comparação com as antigas EPROM e EEPROM. Ideal para várias aplicações portáteis (câmeras digitais, palmtop, assistentes digitais portáteis, aparelhos de música digital ou telefones celulares). 25 Org. e Arq. de Computadores

26 Tecnologias de Fabricação Memória CMOS - (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Tipo especial de memória para armazenamento das opções essenciais de configuração de inicialização quantidade de memória instalada, data, hora. Alimentação via bateria. 26 Org. e Arq. de Computadores

27 Memórias de meio magnético Tecnologias de Fabricação Fabricadas de modo a armazenar informações sob a forma de campos magnéticos. Devido à natureza eletromecânica de seus componentes e à tecnologia de construção em comparação com memórias de semicondutores, esse tipo é mais barato, permitindo armazenamento de grande quantidade de informação. Método de acesso às informações - seqüencial. Exemplos: disquetes, discos rígidos e fitas magnéticas (de carretel ou de cartucho). 27 Org. e Arq. de Computadores

28 Tecnologias de Fabricação Memórias de meio óptico Dispositivos que utilizam um feixe de luz para marcar o valor (0 ou 1) de cada dado em sua superfície. Exemplos: CD-ROM (leitura) CD-RW (leitura e escrita) 28 Org. e Arq. de Computadores

30 Temporariedade Indica o conceito de tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória. Classificação: Armazenamento permanente. Ex.: Discos, disquetes. Armazenamento transitório (temporário). Ex.: registradores, memória cache, memória principal. 30 Org. e Arq. de Computadores

32 Custo Bastante variado em função de diversos fatores: tecnologia de fabricação ciclo de memória quantidade de bits em um certo espaço físico, etc. Uma boa unidade de medida de custo é o preço por byte armazenado, em vez do custo total da memória em si. 32 Org. e Arq. de Computadores

33 Memória Conceitos Importantes Hierarquia de Memória 33 Org. e Arq. de Computadores

34 Memória Conceitos A relação custo/desempenho caracteriza a hierarquia da memória, onde a memória mais rápida é a mais cara e consequentemente possuirá menor capacidade se comparada com as demais.

35 A relação custo/desempenho caracteriza a hierarquia da memória, onde a memória mais rápida é a mais cara e consequentemente possuirá menor capacidade se comparada com as demais. Hierarquia de memória

36 Hierarquia de Memória - Elementos Registradores Memória Cache Memória Principal Memória Secundária 36 Org. e Arq. de Computadores

37 Tipos de memória 1. REGISTRADORES: A memória mais veloz e mais cara do sistema, são internos a CPU e possuem capacidade de armazenamento de 64 x 64 bits em CPU de 64bits e assim respectivamente.; Feitos do mesmo material do processador, trabalham na mesma velocidade. Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 1 a 5 ns) Capacidade - baixa (Ex.: 8 a 64 bits) Volatilidade - dispositivos voláteis. Tecnologia - memória de semicondutores Temporariedade - armazenamento temporário. Custo - mais elevado.

38 Tipos de memória * São medidas conforme a sua latência e dividemse em alguns casos em L1, L2 e L3; * são dispositivos de armazenamento que seguem uma hierarquia de tamanho, velocidade e custo. Todas são voláteis. * Atualmente existem no mercado memórias cache por volta de 8 MB. Podem existir cache só para instruções e só para dados.

39 Memória Cache Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis: Cache L1 (Level 1) - nível 1), Cache L2 e Cache L3. Cache L1 (primária) - interna ao processador. Cache L2 (secundária) - instalada antigamente na placa-mãe do computador. Atualmente: localizada no interior da pastilha do processador, mas separada deste (cache backside). Cache L3 Existente em alguns processadores, localizada externamente ao processador (mas acompanha ele). Quanto mais próxima do processador, melhor será o desempenho do mesmo. 39 Org. e Arq. de Computadores

40 Memória Cache - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 5 a 7 ns). Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de uma apreciável capacidade com a não-elevação demasiada de seu preço. Ex.: 16K a 8 MB. Volatilidade - dispositivos voláteis. Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em geral, são memórias RAM estáticas (SRAM). Temporariedade - armazenamento temporário. Custo - o custo de fabricação das memórias cache é alto. Memórias cache internas à CPU ainda são mais caras do que as externas. 40 Org. e Arq. de Computadores

41 3. MEMÓRIA PRINCIPAL: Tipos de memória * Possuem latência de dezenas a centenas de ciclos do processador. * Seu espaço de armazenamento varia de Poucos Gbs (PCs) a centenas de Gigabytes (servidores).

42 3. MEMÓRIA PRINCIPAL: Tipos de memória Também conhecia como memória primária É o dispositivo no qual o programa (e seus dados) que vai ser executado é armazenado para que a CPU "busque" instrução por instrução.

43 Memória Principal - Parâmetros Temporariedade - variável, depende de várias circunstâncias (p. ex.: tamanho do programa e sua duração, a quantidade de programas que estão sendo processados juntos, etc.). A transitoriedade com que as informações permanecem armazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que na memória cache ou nos registradores. Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das memórias cache - são vendidos computadores com quantidade apreciável de MP (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB, 4 GB, 6 GB, 8 GB) sem que o preço seja inaceitável. 43 Org. e Arq. de Computadores

44 Memória Principal - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 7 a 15 ns). Capacidade - na ordem de até 4 Gbytes Volatilidade - volátil. Há normalmente uma pequena quantidade de memória não volátil fazendo parte da memória principal (contém o BIOS). Tecnologia - em sistemas atuais esta tecnologia produz memória com elementos dinâmicos (DRAM). 44 Org. e Arq. de Computadores

45 Tipos de memória 5. MEMÓRIA SECUNDÁRIA: * Ou armazenamento secundário. É a memória mais barata, com mais espaço e comum nos computadores. * São as mais lentas unidades de armazenamento de um sistema computacional. EX: CD, DVD, Disco Rígido, Pen Drive, etc.

46 Memória Secundária - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral, dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramente eletrônicos - possuem tempo de acesso maiores. Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 15 ms. Discos do tipo CD-ROM: 120 a 300 ms, fitas magnéticas - ordem de segundos. Capacidade - varia bastante dependendo do tipo de dispositivo utilizado. Discos rígidos - entre 60GB e 2 TB, CD-ROM - ordem de 650 MB, fitas magnéticas (a capacidade depende do comprimento da fita e da densidade de gravação). 47 Org. e Arq. de Computadores

47 Memória Secundária - Parâmetros Volatilidade - não voláteis. Tecnologia - este parâmetro possui uma variedade imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo entre os já mencionados (discos rígidos, disquetes, fitas, CD-ROM, CD R/W, DVD, etc.), há diferentes tecnologias de fabricação. Temporariedade - armazenamento com caráter permanente ou, pelo menos, de longo período de armazenamento. Custo - bastante variado. 48 Org. e Arq. de Computadores

48 Tipos de Memória em uso nos computadores Memória principal Processador (Cache L1 e Registradores) Memória secundária Cache L2 (separado) 49 Org. e Arq. de Computadores

49 Relembrando A HIERARQUIA DA MEMÓRIA ESTÁ BASEADA NAS SEGUINTES CARACTERÍSTICAS: 1. CUSTO 2. TAMANHO 3. VELOCIDADE Obs: Quanto maior for a velocidade, maior o custo e consequentemente menor o tamanho.

50 Tipos de memória:

51 Memória Principal Cada posição da memória principal tem um endereço único Geralmente é combinada com uma memória CACHE menor e mais veloz - A Cache geralmente não é visível ao usuário - É usada para melhorar o desempenho

52 Memória Principal Endereçamento A memória principal é organizada como um conjunto de células(ou posições) capazes de armazenar, cada uma, 8 bits (1 byte); Existe 1 endereço para cada célula de memória, portanto, a célula é a menor unidade de memória endereçável;

53 Memória Principal Endereçamento Bytes são agrupados em PALAVRAS; A maioria das instruções opera sobre palavras; Registradores da CPU geralmente são do tamanho de uma palavra: 32 bits = 4 células; 64 bits = 8 células;

55 Memória Cache Evolução O aperfeiçoamento das memórias centrou-se no aumento da sua capacidade de armazenamento; O aperfeiçoamento das CPU's centrou-se no seu desempenho; A memória principal tem grande capacidade de armazenamento porém seu acesso é lento e pode se tornar um "gargalo" para a CPU, que deve esperar muito para receber os dados da memória;

56 Memória Cache Soluções É possível projetar uma memória com velocidade compatível com a CPU? Sim, mas é muito caro! Seria possível embutir a memória no chip da CPU e reduzir o uso do barramento? Sim, mas existem restrições ao tamanho do chip!

57 Memória Cache A melhor solução Memória Cache; Memória rápida, porém cara e de menor capacidade; Contudo, associada à memória principal (barata e de grande capacidade), resulta num sistema: razoavelmente barato; razoavelmente rápido; de grande capacidade e armazenamento;

58 Memória Cache Funcionamento Na Cache são mantidas as palavras mais usadas pelo processador Se a maior parte dos acessos for resolvida pela Cache, o tempo médio de acesso será próximo do tempo de acesso ao Cache, que é pequeno.

59 Memória Cache - tipos

61 Memória Secundária Memória de grande capacidade (dezenas, centenas e milhares de Gigabytes); Armazenamento massivo; Implementada em meio magnético (hard disk, fitas magnéticas) ou óptico (CD-ROM, DVD-ROM). Armazena programas e dados não processados correntemente, mas que poderão eventualmente ser utilizados (freqüência de acesso pequena).

62 Memória Secundária Memória lenta e barata; Tempo de acesso da ordem de milissegundos; Pode também ser utilizada para emular memória principal; Isso aumenta o espaço de endereçamento disponível através de técnicas de memória virtual;

63 Memória Secundária Disco Magnético Constituído de um prato circular de metal ou de plástico, coberto com um material que pode ser magnetizado Os dados são gravados e posteriormente lidos por meio de uma bobina chamada cabeçote Durante a leitura o cabeçote permanece estático, enquanto o disco gira embaixo dele Durante a escrita ele emite pulsos magnéticos que gravam os dados no disco

64 Memória Secundária Disco Magnético Os dados são organizados no disco em forma de círculos concêntricos chamados de trilha Cada trilha tem a mesma largura do cabeçote

65 Discos Rígidos visão geral Memória Secundária Disco Magnético 1 - Prato, midia ou platter - aonde os dados são gravados. 2 - Atuador - parte mecânica responsável pelo posicionamento das cabeças de leitura e gravação. 3 - Componentes internos de controle do atuador, ligados a placa controladora lógica externa. 4 - Cabeças de leitura e gravação ou magnetic heads - conectadas ao atuador, responsaveis pela leitura e gravação de dados na mídia. 5 e 6 - Hard Disk Assembly superfície aonde são montados os componentes de um hard disk. 7 - Placa controladora lógica ou logic board - responsável pela inicialização, controle mecânico e envio de dados do hard disk para o computador. 8 - Conectores externos padrão IDE - conexão por onde são enviados os dados para a placa-mãe e consequentemente ao processador.

66 Memória Secundária Disco Magnético Lados Único Só um lado é magnetizável Móvel Os dois lados são magnetizáveis Pratos Únicos Múltiplos

67 Memória Secundária Memória Óptica Desenvolvida a partir de 1983; Surgiu com o CD; Era destinado apenas para o armazenamento de áudio digital; Com o tempo o CD-ROM passou a armazenar dados; Evoluiu para DVD e Blu-ray, inicialmente propostos para armazenar vídeo de alta qualidade;

68 Memória Secundária Memória Óptica O disco é constituído de uma resina de policarbonato; É depois revestida com uma superfície com alto índice de reflexão: Geralmente alumínio; A informação digital é registrada na superfície reflexiva como uma serie de sulcos microscópicos;

69 Memória Secundária Memória Óptica A gravação é feita com um laser de alta intensidade muito bem focado ( queimar o disco ); Estas queimaduras criam sulcos e a superfície sulcada é protegida contra pó e arranhões;

70 Memória Secundária Memória Óptica A leitura é feita com um laser de baixa potencia; O feixe passa através da cobertura protetora enquanto o motor gira o disco; Ao encontrar um sulco a intensidade da luz muda; Essa mudança é detectada por um foto sensor e convertida num sinal digital;

71 Memória Secundária Memória Óptica O disco regravável faz uma mudança de fase no dados Os novos dados são refletidos de uma forma diferente pela superfície refletora do disco O problema disso é o desgaste do disco