LAB II (Arquitectura de Computadores) Aula 1

Transcrição

1 LAB II (Arquitectura de Computadores) 32 Aula 1 1 LabII(Arquitectura de Computadores)

2 O que é que vamos discutir.! Introdução Conceito de Arquitectura Arquitectura do Computador Representação da Informação A Motherboard & Chipset Padrões de Barramentos da Motherboard Estrutura & Funcionamento da CPU Pipeline Sistemas de Memória 2 LabII(Arquitectura de Computadores)

3 O que é que vamos discutir.! Processamento Paralelo O Gabinete: Abertura & Montagem Configurações; Sistemas Operativos; Instalação de Sistema Operativo (SO); O Software; Manutenção Preventiva; Detenção de Avarias e Soluções; 3 LabII(Arquitectura de Computadores)

4 Bibliografia Básica W. Stallings, Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, 6th edition, Prentice Hall (IE), ISBN: (versão inglesa). W. Stallings, Arquitectura e Organização de Computadores, 5th edition, Prentice Hall, ISBN: (versão brasileira) M. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice-Hall International Editions, 2 nd Edition, 2000 A. S. Tanenbaum, Structured Computer Organization, 4rd Edition, Prentice-Hall International Editions, LabII(Arquitectura de Computadores)

5 Avaliação? o Trabalhos (1) o Testes (2) o o o Exame Final estatistica3ano@gmail.com Pswd: 5 LabII(Arquitectura de Computadores)

6 Conceito de Arquitectura: A arquitectura enquanto actividade é um campo multidisciplinar, incluindo em sua base: A Matemática, As Ciências, As Artes, A Tecnologia, As Ciências Sociais, A Política, a História, etc 6 LabII(Arquitectura de Computadores)

7 Conceito de Arquitectura: O mais antigo tratado arquitectônico de que se tem notícia e que propõe uma definição de arquitectura é o do arquitecto romano Marco Vitrúvio Polião. Em suas palavras: Arquitectura é uma ciência, surgindo de muitas outras, e adornada com muitos e variados ensinamentos: pela ajuda dos quais um julgamento é formado daqueles trabalhos que são o resultado das outras artes." 7 LabII(Arquitectura de Computadores)

8 A Tríade Vitruviana Conceito de Arquitectura: Os elementos fundamentais da arquitectura: A Firmitas: que se refere à estabilidade, ao carácter construtivo da arquitectura, A Utilitas: que originalmente se refere à comodidade e ao longo da história foi associada à função e ao utilitarismo e A Venustas: associada à beleza e à apreciação estética. Desta forma, e segundo este ponto de vista, uma construção passa a ser chamada de arquitectura quando, além de ser firme e bem estruturada (firmitas), possuir uma função (utilitas) e for, principalmente, bela (venustas). 8 LabII(Arquitectura de Computadores)

9 Conceito de Arquitectura de Computador: Forma como os blocos internos do computador estão organizados! Projetista de Hardware preocupa-se com circuitos, componentes, Temporização e facilidade de solução de erros. Arquiteto de Computador preocupa-se com os componentes de alto nível, como eles se conectam, como eles trabalham de forma integrada para garantir performance 9 LabII(Arquitectura de Computadores)

10 Conceito de Arquitectura de Computador: Recordando sistemas de Computacional! 10 LabII(Arquitectura de Computadores)

11 Conceito de Arquitectura de Computador: Hardware o Processador central, a memória e os dispositivos de entrada e saída oferecem os recursos básicos para a computação Aplicações: compiladores, sistemas de bases de dados, programas diversos, Jogos, - definem as formas em que estes recursos são usados para resolver os problemas de computação dos utilizadores Utilizadores: pessoas, outros computadores, máquinas, aplicativos,... O Sistema Operativo controla e coordena o uso do Hardware entre os vários programas de aplicação para diferentes users. 11 LabII(Arquitectura de Computadores)

12 Conceito de Arquitectura de Computador: Forma como os blocos internos do computador estão organizados! Computador como um sistema Conjunto de componentes interrelacionados Arquitetura do Computador Definido pelas relações entre componentes Quatro componentes básicos Memória Processador Periféricos Barramento 12 LabII(Arquitectura de Computadores)

13 Conceito de Arquitectura de Computador: Processador Trata informações armazenadas em memória (programas e dados) Memória Armazenagem de programas e dados Periféricos Responsáveis por entradas e saídas de dados Barramento Liga os componentes (via de comunicação) 13 LabII(Arquitectura de Computadores)

14 Conceito de Arquitectura de Computador: Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organisation Arquitectura de PC = Conjunto de instruções + Organização da máquina O Conceito de Arquitectura do Computador pode dividir-se em duas partes: Arquitectura do conjunto de Instruções Organização da Máquina (Computador) Aquitectura do conjunto das Instruções: São os atributos de um sistema sob o ponto de vista do programador, isto é, a estrutura conceptual e o comportamento funcional, distintas da organização dos fluxos de dados e dos controles dos sistemas de lógica, e a implementação física. 14 LabII(Arquitectura de Computadores)

15 Conceito de Arquitectura de Computador: Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organisation Arquitectura de PC = Conjunto de instruções + Organização da máquina Organização da Máquina: Refere-se à interligação das várias unidades funcionais. Processadores com desempenho diferente (mas com o mesmo ISA) podem ser construídos mudando detalhes como: Extensão do Pipeline; Número de Unidades funcionais; tamanho e organização do cache, etc. 15 LabII(Arquitectura de Computadores)

16 Conceito de Arquitectura de Computador: Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organisation Arquitectura de PC = Conjunto de instruções + Organização da máquina Arquitectura é composta pelos atributos visíveis ao programador: Conjunto de Instruções (Instruction Set), Nº de Bits usados para representar dados, Mecanismos I/O, Técnicas de endereçamento, etc. 16 LabII(Arquitectura de Computadores)

17 Conceito de Arquitectura de Computador: Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organisation Arquitectura de PC = Conjunto de instruções + Organização da máquina A Organização refere-se a forma como as características são implementadas: Interface, Sinais de controlo, Tecnologia de memória, etc. Extensão do Pipeline; Número de Unidades funcionais A Arquitectura pode sobreviver muitos anos, enquanto que a sua organização muda com a evolução tecnológica! 17 LabII(Arquitectura de Computadores)

18 Arquitectura de Computadores 32 A a r q u i t e c t u r a d a m á q u i n a d e V o n N e u m a n n Aula 2 18 LabII(Arquitectura de Computadores)

19 John Von Neumann ( ) A Arquitectura da máquina de Von Neumann: Matemático húngaro, foi Professor da Universiade de Princeton, Estabeleceu em 1945 os princípios de operação de um computador electrônico digital. Estes princípios ficaram conhecidos como Arquitectura de Von Neumann e são ainda hoje a base de operação dos computadores mais modernos. 19 LabII(Arquitectura de Computadores)

20 A arquitectura da máquina de Von Neumann: Von Neumann propôs construir computadores que: Codificassem instruções que pudessem ser armazenadas na memória e sugeriu que usassem cadeias de uns e zeros (binário) para codificá-los; Armazenassem na memória as instruções e todas as informações que fossem necessárias para a execução da tarefa desejada; Ao processarem o programa, as instruções fossem buscadas directamente na memória. Este é o conceito de Programa Armazenado. 20 LabII(Arquitectura de Computadores)

21 A arquitectura da máquina de Von Neumann: O Aspecto principal do modelo de Von Neumann é a possibilidade de usar a memória para armazenar tanto programas como também dados. Vantagens Os programas podem ser manipulados facilmente Possibilitou a criação e evolução de compiladores Possibilitou a criação e evolução dos sistemas operacionais 21 LabII(Arquitectura de Computadores)

22 A arquitectura da máquina de Von Neumann: O Modelo Von Neumann Consiste em cinco componentes principais, como mostra a figura Unidade de entrada Unidade de memória Unidade aritmética e lógica Unidade de Controle Unidade Central de processamento (CPU) 22 LabII(Arquitectura de Computadores)

23 A arquitectura da máquina de Von Neumann: Unidade Central de Processamento U.C.P. Memoria Central M.C. Unidade de Entrada Unidade de Saída U.C. U.A.L. Unidade de Aritmetica & logica Unidade de Controlo ME 23 Memoria Externa LabII(Arquitectura de Computadores) Esquema dos órgãos básicos do computador

24 A arquitectura da máquina de Von Neumann: Sistema Central Unidade de Entrada Unidade de Saída Periférico Periférico Memória Auxiliar 24 LabII(Arquitectura de Computadores)

25 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: A memória, responsável pelo armazenamento tanto das instruções do programa (que traduzem o algoritmo de solução do problema) quanto dos dados (que servem de operandos para as instruções do programa); Os dispositivos de entrada e saída, ou dispositivos de I/O (input/output), responsáveis por traduzir os dados de algum meio externo (ex.: teclados) para o formato interno de armazenamento na memória, ou, Do formato interno da memória para um formato externo de armazenamento por longo período (ex.: fitas ou discos magnéticos) ou para um formato externo legível para seres humanos (ex.: telas de vídeo e impressoras). 25 LabII(Arquitectura de Computadores)

26 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: A unidade central de processamento, ou CPU (central processing unit), responsável pela execução das instruções do programa; A CPU, por sua vez, também tem uma estrutura interna: Unidade de controle, ou control unit, responsável pela interpretação das instruções do programa e pelo sequenciamento temporal das atividades necessárias para a sua execução; Unidade aritmética e lógica, ou ALU (arithmetical and logical unit), onde estão os circuitos eletrônicos para execução das operações unitárias aritméticas (somas, subtrações, etc.) e lógicas (comparações, AND, OR, etc.) sobre os operandos das instruções; 26 LabII(Arquitectura de Computadores)

27 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: CPU estrutura Interna (cont!) Registradores, que são pequenas áreas de memória interna à CPU, que são usados para armazenamento temporário de operandos e resultados de instruções (registradores de uso geral ou general-purpose registers), e também para armazenar dados sobre o estado interno da CPU e sobre o programa em execução (registradores de controle ou control registers). Relógio - é um circuito que marca o tempo e assinala no computador em que momento uma operação deve ser realizada. 27 LabII(Arquitectura de Computadores)

28 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Defeito do Modelo de Von Neumann Gargalo de Von Neumann consiste no baixo fluxo transferência de dados entre o CPU e a memória comparada com a quantidade de memória. O Impacto deste problema é reduzido através do uso de uma cache entre o CPU e a memória central, 28 LabII(Arquitectura de Computadores)

29 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Modelo Modernizado Os computadores modernos usam uma versão que usa o modelo de barramento de sistema de um sistema de computação 29 LabII(Arquitectura de Computadores)

30 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Modelo Modernizado 30 LabII(Arquitectura de Computadores)

31 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: O sistema de Barramento (Bus System) Barramento é um conjunto de condutores eléctricos que interligam os diversos componentes do computador e de circuitos electrónicos que controlam o fluxo dos bits. Como um dado é composto por bits (geralmente um ou mais bytes) o barramento deverá ter tantas linhas condutoras. Quanto forem os bits a serem transportados de cada vez. Exemplo: Transferir o byte da CPU para a MP os circuitos de controle colocam o byte no barramento, ou seja, colocam sinais de tensão "high" nas 2ª, 4ª e 7ª linhas do barramento e de informar à memória para ler o dado no barramento 31 LabII(Arquitectura de Computadores)

32 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Objectivo do sistema de Barramento (Bus System) Compartilhamento de dados entre as unidades Necessidades de identificadores individuais entre as unidades para se comunicarem Memória e E/S podem ser identificados de forma única ou separados O Barramento de Controle é o mais Complexo, pois ele é responsável por coordenar o fluxo de dados entre os barramentos. 32 LabII(Arquitectura de Computadores)

33 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Categorias ou tipos de Barramentos: Barramentos de dados ( em inglês - Data Bus), que têm por função transportar a informação (códigos dos programas e dados) entre os blocos funcionais dum computador; quanto maior a sua "largura", maior o número de bits que é possível transportar em simultâneo; Barramento de endereços (em inglês address Bus), que têm por função transportar a identificação/localização ("endereço") dos sítios onde se pretende ler ou escrever dados (por ex., o endereço de uma célula de memória ou de um registo de estado de um controlador); 33 LabII(Arquitectura de Computadores)

34 A Arquitectura da Máquina de Von Neumann: Categorias ou tipos de Barramentos: Barramento de controlo (em inglês - control Bus), que agrupa todo o conjunto de sinais eléctricos de controlo do sistema, necessários ao bom funcionamento do computador como um todo (por ex., sinais para indicar que a informação que circula no barramento de dados é para ser escrita e não lida da célula de memória cuja localização segue no barramento de endereços). 34 LabII(Arquitectura de Computadores)

35 Lab II (Arquitectura de Computadores) Componentes de um Computador 32 Aula 3 35 LabII(Arquitectura de Computadores)

36 GABINETE GABINETE caixa vertical ou horizontal, que envolve e protege todos os componentes do computador (placas, HD, processador, etc). Ele tem medidas padronizadas que devem ser obedecidas para o correto encaixe das placas, fonte, conectores, etc. Gabinetes, fontes e placas-mãe precisam ser de um mesmo padrão, do contrário, acaba sendo praticamente impossível conectá-los 36 LabII(Arquitectura de Computadores)

37 GABINETES Os gabinetes podem ser encontrados em 4 tipos básicos: o Verticais (Mini Tower) o Verticais (Mid Tower) o Verticais (Full Tower) o Horinzontais (Slim) Horinzontais 37 LabII(Arquitectura de Computadores)

38 TIPOS DE GABINETES Gabinete AT AT é a sigla para Advanced Tecnology. Trata-se de um tipo de gabinete já antigo, sendo cada vez mais difícil encontrar computadores novos que utilizem esse padrão. Seu uso foi constante de 1980 até Os factores que contribuiram para que o padrão AT deixasse de ser usado é espaço interno pequeno, que com ajuda dos vários cabos do computador, dificultavam a circulação de ar Outro factor é a dificuldade de montar os componentes 38 LabII(Arquitectura de Computadores)

39 TIPOS DE GABINETES Gabinete ATX AT é a sigla para Advanced Tecnology Extendend. Um dos principais desenvolvedores do ATX foi a Intel (a partir do Pentium II). O objetivo do ATX foi o de solucionar os problemas do padrão AT (citados anteriormente), o padrão apresenta melhorias em relação ao anterior Entre as principais características do ATX, estão o maior espaço interno, proporcionando um ventilação adequada, conectores de teclado e mouse no formato PS/2 39 LabII(Arquitectura de Computadores)

40 TIPOS DE GABINETES Gabinete BTX AT é a sigla para Balanced Tecnology Extendend. Novo formato criado pela intel em 2003 O gabinete BTX foi criado para otimizar o fluxo de ar, facilitando a refrigeração do sistema e para tentar padronizar formatos de placas-mãe de tamanho reduzido No formato ATX, a placa-mãe é instalada no lado direito do gabinete enquanto no formato BTX, ela se encontra no lado esquerdo. 40 LabII(Arquitectura de Computadores)

41 TIPOS DE GABINETES 41 LabII(Arquitectura de Computadores)

42 TIPOS DE GABINETES Conexões na parte traseira de um PC moderno 42 LabII(Arquitectura de Computadores)

43 TIPOS DE GABINETES Botões principais e seus respectivos leds no painel frontal 43 LabII(Arquitectura de Computadores)

44 FONTE DE ALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação é o dispositivo responsável por fornecer energia elétrica aos componentes de um computador. Os gabinetes são normalmente vendidos junto com a fonte de alimentação. A fonte já é fixa ao gabinete, e possui diversas conexões para alimentar a placa de CPU, drives e demais dispositivos. 44 LabII(Arquitectura de Computadores)

45 TIPOS DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE AT O conector de alimentação da fonte AT, que deve ser ligada na placa-mãe, é composta por dois plugs (cada um com seis pinos), podendo facilmente fazer com que o usuário os invertesse e ocasionasse danos 45 LabII(Arquitectura de Computadores)

46 TIPOS DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE ATX BTX No padrão ATX, o conector é uma peça única e só possível de ser encaixada de uma forma, evitando problemas por conexão incorreta As fontes ATX também trouxeram um recurso que permite o desligamento do computador por software. basta executar os procedimentos de desligamento no sistema operacional e o computador será inteiramente desligado, sem a necessidade de apertar o botão Power 46 LabII(Arquitectura de Computadores)

47 FONTE DE ALIMENTAÇÃO - CABOS 47 LabII(Arquitectura de Computadores)

48 PLACA-MÃE Também conhecida como MOTHERBOARD ou MAINBOARD, a placa-mãe é, basicamente, a responsável pela interconexão de todas as peças que formam o computador. Tipos de placas-mãe AT ATX BTX 48 LabII(Arquitectura de Computadores)

49 PLACA-MÃE 49 LabII(Arquitectura de Computadores)

50 PLACA-MÃE 50 LabII(Arquitectura de Computadores)

51 PLACA-MÃE Slots São as entradas da placa-mãe: são neles que colocamos os outros componentes do computador encaixados na placa-mãe, como placas de vídeo, módulos de memória, processador e outros. Existem três principais tipos de slot são: PCI, AGP e ISA. 51 LabII(Arquitectura de Computadores)

52 PLACA-MÃE Conectores (Placas On-Board) A placa-mãe apresenta diversos conectores, por onde conectamos os componentes de entrada e saída, também conhecidos como periféricos. Veja alguns deles: Conector PS/2; USB; Multimídia; Serial: A PS/2 Mouse, B- Ethernet (rede) C- Serial D- Ethernet E- Entrada áudio F- Saída áudio G- Microfone H- Entradas USB I- Entrada VGA (monitor) J- Portal USB K- Entrada PS/2 Teclado 52 LabII(Arquitectura de Computadores)

53 PLACA-MÃE BIOS/ ROM Basic Input Output System, ou Sistema básico de entrada e saída. Quando o seu computador é ligado, a BIOS é a primeira coisa a funcionar. É com a BIOS que o computador vai verificarr se todos os componentes essenciais para que o sistema operacional possa iniciar estão presentes e funcionando na placa-mãe. 53 LabII(Arquitectura de Computadores)

54 PLACA-MÃE CHIPSET O Chipset é um conjunto de chips que controlam todo o tráfego de informação que circula no computador usando os barramentos. Basicamente, os barramentos funcionam como estradas por onde as informações passam de um componente ao outro do computador. 54 LabII(Arquitectura de Computadores)

55 PLACA-MÃE Socket Suporte onde é encaixado o Processador 55 LabII(Arquitectura de Computadores)

56 DISCO RÍGIDO (HD) chamado também de HD (derivação de HDD - hard disk drive) ou winchester é a parte do computador onde são armazenados os dados. O disco rígido é uma memória não-volátil, 56 LabII(Arquitectura de Computadores)

57 COOLER Essa peça (um tipo de ventilador) é a responsável por manter a temperatura do processador em níveis aceitáveis. Quanto menor for a temperatura, maior será a vida útil do chip. Onde os coolers são usados? Fonte de alimentação Processador Placa de vídeo dedicada Alguns modelos de chipsets Gabinetes 57 LabII(Arquitectura de Computadores)

58 PROCESSADOR É o "cérebro" do computador. é o processador o responsável por executar todas as instruções necessárias. Quanto mais "poderoso" for o processador, mais rapidamente suas tarefas serão executadas. LGA (LAND Grid Array) e PGA (Pin Grid Array) 58 LabII(Arquitectura de Computadores)

59 MEMORIA RAM Memória de acesso aleatório (Random Access Memory, frequentemente abreviado para RAM) é um tipo de memória que permite a leitura e a escrita, utilizada como memória primária em sistemas eletrônicos digitais. Existem basicamente dois tipos de memória em uso: SDR e DDR. As SDR são o tipo tradicional, onde o controlador de memória realiza apenas uma leitura por ciclo, enquanto as DDR são mais rápidas, pois fazem duas leituras por ciclo. 59 LabII(Arquitectura de Computadores)

60 MEMORIA RAM 60 LabII(Arquitectura de Computadores)

61 PLACA DE SOM É uma placa responsável por captar e gerar sons. Todos os computadores modernos utilizam sons, portanto a placa de som é um dispositivo obrigatório. Actualmente as Boards vem com som onboard, 61 LabII(Arquitectura de Computadores)

62 PLACA DE VIDEO Tipos de Placa de Vídeo o Avulsas (Off-Board) o Integradas à placa-mãe (On-Board) 62 LabII(Arquitectura de Computadores)

63 63 LabII(Arquitectura de Computadores)

64 LabII(Arquitectura de Computadores) 32 Aula 4 - Memorias 64 LabII(Arquitectura de Computadores)

65 O QUE VAMOS DISCUTIR! Importância da Memória Características da Memória Localização Capacidade Métodos de Acesso Tipos de Memória Hierarquia Velocidade 65 LabII(Arquitectura de Computadores)

66 O desempenho dos processadores aumentou a uma taxa muito superior a da memória! MEMORIA! 66 LabII(Arquitectura de Computadores)

67 ! PORQUE É A MEMÓRIA IMPORTANTE? Componente do Computador onde os Programas e os Dados sao armazenados Os dispositivos de memória servem para armazenar programas (instruções) e dados (sequências de palavras em memória que não incluem qualquer código de operação). 67 LabII(Arquitectura de Computadores)

68 Key Characteristics of Computer Memory Systems Características fundamentais de Sistemas de Memória de Computador Location Processor Internal (main) External (secondary) Unit of Transfer Word Block Organization Performance Access time Cycle time Transfer rate Capacity Word size Number of Words Access Method Sequential Direct Random Associative Physical Type Semi-conductor Magnetic Optical 68 LabII(Arquitectura de Computadores) Physical Characteristics Volatile/nonvolatile Erasable/no erasable

69 Location/Local CPU Interna Externa 69 LabII(Arquitectura de Computadores)

70 Location/Local A organização da memória rege-se por uma hierarquia de sistemas de memória. As principais são as seguintes: A memória interna refere-se à memória principal, directamente acedida pelo CPU O CPU necessita da sua própria memória local, na forma de registos A memória externa (memória secundária) é referida a todos os dispositivos usados para armazenar dados e que acedem ao CPU através de controladores/módulos de Entrada/Saída 70 LabII(Arquitectura de Computadores)

71 Capacity/ Capacidade Expressa em bytes ou words para a memória interna o Os tamanhos mais usuais são de 8, 16, 32 bits A capacidade de memória externa é expressa somente em bytes 71 LabII(Arquitectura de Computadores)

72 Unidade de Transferência Memoria Interna Ao nível da memória interna, refere-se ao número de linhas de dados que entram e saem do módulo de memória. Geralmente é igual à largura da palavra, mas nem sempre. geralmente determinada pelo largura do bus de dados Memoria Externa É geralmente um bloco que é maior do que uma palavra Unidade Endereçável O mais pequeno local de memória que pode ser endereçado 72 LabII(Arquitectura de Computadores)

73 MÉTODOS DE ACESSO Sequencial Directo Começa no inicio e lê os dados sequencialmente O tempo de acesso depende da localização dos dados e da posição anterior Por exemplo, uma cassete Blocos individuais têm endereços únicos O acesso é feito por salto e por procura sequencial O tempo de acesso depende da localização dos dados e da localização anterior Por exemplo, um disco 73 LabII(Arquitectura de Computadores)

74 MÉTODOS DE ACESSO Aleatório Endereços individuais identificam locais exactos O tempo de acesso é independente do local ou de acessos anteriores Por exemplo, a RAM 74 LabII(Arquitectura de Computadores)

75 DESEMPENHO Tempo de acesso (Access time) Para uma memória de acesso aleatório: é o tempo que demora a executar uma operação de leitura ou escrita, ou seja, é o tempo a partir do instante que o endereço é apresentado à memória até ao instante que os dados foram arquivados ou tenham ficado disponíveis para uso Para os outros tipos de memória, é o tempo que demora o mecanismo de leitura-escrita a posicionar-se na localização desejada 75 LabII(Arquitectura de Computadores)

76 DESEMPENHO Tempo de ciclo de memória (Memory cycle time) Compreende o tempo de acesso e o tempo necessário a memória para recuperar antes que outro acesso possa ser realizado Tempo de ciclo de memória = Acesso + Recuperar Taxa de transferência (Transfer Rate) Taxa a qual os dados podem ser transferidos Para memórias aleatórias é: Para as outras memórias: TN - Tempo médio de leitura ou escrita de N bits TA - Tempo médio de acesso 1 Tempo de Ciclo N TN TA R 76 LabII(Arquitectura de Computadores)

77 TIPOS DE MEMÓRIA FÍSICA Semicondutores RAM Magnética Disco Óptica CD & DVD 77 LabII(Arquitectura de Computadores)

78 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Volatilidade Apagável Consumo de Energia 78 LabII(Arquitectura de Computadores)

79 Hierarquia 79 LabII(Arquitectura de Computadores)

80 HIERARQUIA A forma escolhida para ter em consideração todas estas relações foi não ter apenas uma única memória mas sim ter uma hierarquia de memórias. À medida que descemos na hierarquia da memória temos: custo por bit decrescente capacidade crescente tempo de acesso crescente frequência de acesso à memória pelo CPU decrescente 80 LabII(Arquitectura de Computadores)

81 Hierarquia Maior Capacidade Registos L1 Cache L2 Cache Memória Principal Cache de Disco Disco Mais Rápida Maior Barato Óptico Por Bit Fita 81 LabII(Arquitectura de Computadores) Maior Frequência de uso

82 Hierarquia Tempo de Acesso Mais Rápida Registos L1 Cache L2 Cache Memória Principal Cache de Disco Disco Óptico 5 ns 20 ns 50ns 70 ns 10 miliseg ns 10 sec Fita ns 82 LabII(Arquitectura de Computadores)

83 Velocidades das Memórias Level Memory Technology Size Typical Access Time Cost per Mbyte Registers D Flip-Flops Bits 2 3 ns N / A L1 Cache (on chip) L2 Cache (off chip) SRAM 16 Kbytes 5 25 ns $100 - $250 SRAM 256 Kbytes 5 25 ns $100 - $250 Main Memory DRAM 64 Mbytes ns $5 - $10 Secondary Storage Magnetic Disk 2 Gbytes ms $ $0.20 LabII(Arquitectura de Computadores) 83

84 Questões Importantes! As questões no desenho de uma memória de um computador podem ser resumidas a três: Dimensão Velocidade Custo A relação entre estas características terá de ser considerada na escolha da memória: Quanto menor o tempo de acesso, maior o custo por bit Quanto maior a capacidade, menor o custo por bit Quanto maior a capacidade, maior o tempo de acesso 84 LabII(Arquitectura de Computadores)

85 85 LabII(Arquitectura de Computadores)

86 RESUMO Key Characteristics of Computer Memory Systems Características fundamentais de Sistemas de Memória de Computador Location Processor Internal (main) External (secondary) Unit of Transfer Word Block Organization Performance Access time Cycle time Transfer rate Capacity Word size Number of Words Access Method Sequential Direct Random Associative Physical Type Semi-conductor Magnetic Optical 86 LabII(Arquitectura de Computadores) Physical Characteristics Volatile/nonvolatile Erasable/no erasable

87 Arquitectura de Sistemas de Computadores Memória Central 87 LabII(Arquitectura de Computadores)

88 MEMÓRIA CENTRAL (PRINCIPAL) É a parte do computador onde programas e dados são armazenados para processamento. A informação permanece na memória principal apenas enquanto for necessário para seu emprego pela UCP, possibilitando que a area ocupad possa ser liberada para ser posteriormente sobregravada por outra informação. Quem controla a utilização da memória principal é o Sistema Operacional.A memória precisa ter uma organização que permita ao computador guardar e recuperar informações quando necessário. 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 88 LabII(Arquitectura de Computadores)

89 MEMÓRIA CENTRAL (PRINCIPAL) A M.C. é organizada em células. Célula é a menor unidade de informação da memória que pode ser endereçada (não é possível ir buscar uma parte da célula) A célula tem um tamanho fixo para cada máquina. As memórias são compostas de um determina do número de células. Cada célula é composta de um determinado número de Bits. Cada célula é identificada por um endereço único. Todas as células de um dado computador tem o mesmo tamanho, isto é, todas as células daquele computador terão o mesmo número de bits. As células são numeradas sequencialmente, uma a uma, de zero a (N-1), chamado o endereço da célula. Endereço è assim, o localizador da célula, e é Unico 89 LabII(Arquitectura de Computadores)

90 CÉLULA Vs PALAVRA O termo Célula é usada para definir a unidade de armazenamento (o tamanho de células de memória) e o termo Palavra/Unidade Endereçavel para definir a unidade de transferência de um dado ou uma instrução, significando na prática quantos bits o computador movimenta e processa em cada operação Não confundir: Célula não é sinónimo de palavra, embora em algumas máquinas a palavra seja igual à célula. A palavra de um computador pode ter 1 byte (por exemplo, 8080), 2 bytes (por exemplo, 8086), 4 bytes (por exemplo, 486, o Pentium, e muitos mainframes IBM) e mesmo 8 bytes (por exemplo, o Alpha da DEC). 90 LabII(Arquitectura de Computadores)

91 Estrutura da MP A estrutura da memória principal é um problema do projeto de hardware: - mais endereços com células menores ou - menos endereços com células maiores 91 LabII(Arquitectura de Computadores)

92 Estrutura da MP memória de 96 bits organizada em 3 maneiras distintas. 92 LabII(Arquitectura de Computadores)

93 MEMÓRIA CENTRAL (PRINCIPAL) Número de bits para representar um endereço (M.C. com endereços de 0 a N-1): N x 2 x log 2 N Sendo: X - número de Bits para representar um endereço N número de Endereços Se uma memória possui n células, tais células possuirão os endereços 0 à n 1. x Se uma célula é constituída de x bits, ela pode armazenar qualquer uma das 2 diferentes combinações de bits. 93 LabII(Arquitectura de Computadores)

94 Capacidade da Memória Central A capacidade da MC em bits è igual ao produto do número de células pelo total de bits por célula: T N M T = capacidade da memória em bits N = n de endereços (N=2 x ) M = n de bits de cada célula X = n o de bits do barramento de endereços; M = nº de bits contidos em uma célula; 94 LabII(Arquitectura de Computadores)

95 EXERCICIOS Uma memória RAM pode armazenar um máximo de 256K bits. Cada célula pode armazenar 8bits. a) Qual o tamanho de cada endereço e b) qual é o total de células que podem ser utilizadas nesta memória? x x x x 95 LabII(Arquitectura de Computadores)

96 EXERCICIOS 1) 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? Resposta : a) 1024, b)10 2) 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; 3) Um computador tem capacidade de armazenar 216 bits e possui um barramento de dados de 16 bits. Pede-se a) o tamanho da célula de memória; 96 LabII(Arquitectura de Computadores)

97 EXERCICIOS M - Tamanho da célula x - nº de bits do endereço N - nº de endereços T - Capac. da memória 0 a (N-1) - Faixa de endereços 8 bits K byte - 16 bits - 1 K endereços bits bits - 4 bytes Gbytes Mbyte 0 a bits a LabII(Arquitectura de Computadores)

98 98 LabII(Arquitectura de Computadores)

99 Arquitectura de Computadores 32 Aula 5 - Memorias Central- (Continuação) Memória Externa/ Secundaria 99 LabII(Arquitectura de Computadores)

100 MEMORIA CENTRAL O computador possui dispositivos que permitem armazenar dados, instruções e resultados. A esses dispositivos dá-se o nome de memórias. Comunicam directamente com o processador e armazenam Temporariamente (RAM e Cache) ou permanentemente (ROM) pequenas quantidades de informação. A memória principal é constituída por três tipos de memórias distintos: Memória RAM Memória ROM Memória Cache Regitradores 100 LabII(Arquitectura de Computadores)

101 MEMÓRIA RAM O termo RAM (Random Access Memory) é usado para designar uma memória de acesso aleatório, ou seja, uma memória com facilidade de acesso a todos os endereços, no qual o tempo de acesso a qualquer um deles é constante. Os dados neste tipo de memória podem ser lidos, escritos e apagados pelo processador. Quando o computador é ligado, é carregada na memória RAM a informação (programas e drivers) necessária ao seu funcionamento. Quanto maior for a memória RAM, mais informações poderá guardar, o que se traduz numa maior optimização. É considerada memoria Volátil 101 LabII(Arquitectura de Computadores)

102 MEMORIA RAM As memórias RAM podem ser classificadas quanto à sua forma física, nos seguintes tipos: Modulo DDR (Double Data Rate) Módulo DIP (Dual In-Line Package) Módulo SIMM de 30 contactos (Single In-Line Memory Module). Módulo SIMM de 72 contactos Módulo DIMM de 168 contactos (Double In-Line Memory Module). Módulo SODIMM de 72, 144 e 200 contactos (Small Out-Line DIMM). Módulo DIMM de 184 contactos. Outros tipos menos comuns. 102 LabII(Arquitectura de Computadores)

103 MEMÓRIA RAM 103 LabII(Arquitectura de Computadores)

104 DDR 1, DDR 2 e DDR 3? DDR significa Double Data Rate ou em português, Taxa de Transferência Dobrada, e memórias desta categoria transferem dois dados por pulso de clock. processadores trabalham com duas medidas de processamento: o clock interno e o externo. O clock interno está se referindo a frequência máxima que a CPU consegue trabalhar. O clock externo, por sua vez, é a velocidade de transferência dos dados para o barramento principal da máquina, conhecido como Front Side Bus (FSB). Os processadores continuam em constante evolução. Nesse sentido, a frequência do clock externo precisou aumentar. Novamente o avanço tecnológico obrigou o aperfeiçoamento das memórias 104 LabII(Arquitectura de Computadores)

105 MEMÓRIA DE LEITURA - ROM A sigla ROM (Read Only Memory) representa uma memória apenas de leitura. As memórias ROM têm como função o armazenamento de instruções básicas sobre o hardware do computador, tais como: - As rotinas de arranque, - Rotinas de teste de dispositivos de hardware e, - Todas as instruções necessárias para que o processador reconheça e interaja correctamente com os dispositivos de entrada e saída. 105 LabII(Arquitectura de Computadores)

106 A memória ROM é constituída por três tipos de programas: BIOS (Basic Input/Outpu System) Conjunto de instruções básicas de software que permite ao processador trabalhar com periféricos básicos (Unidade de disquetes). POST (Power-On Self Test) Auto-teste de inicialização, realizado sempre que o computador é inicializado. (Identifica a configuração instalada, inicializa os circuitos periféricos ligados à motherboard, inicializa o vídeo, testa o teclado, carrega o sistema operativo para a memória, entrega o controlo do microprocessador ao sistema operativo). SETUP (configuração do sistema) Programa de configuração do hardware do computador. Essa configuração pode ser feita manualmente pelo utilizador, através da escolha de várias opções num interface próprio. 106 LabII(Arquitectura de Computadores)

107 Existem ainda três tipos de memórias ROM segundo a forma de gravação: PROM (Programmable Read Only Memory) A informação só pode gravada uma única vez através de um equipamento especial. A programação é feita fundindo fusíveis internos à memória. EPROM (Erasable Programmable ROM) Pode-se gravar e apagar um determinado número de vezes. A programação é feita pela indução de cargas eléctricas aos circuitos internos. A eliminação do programa faz-se expondo a memória a raios ultravioleta. EEPROM (Electricaly EPROM). Podem ser programadas electronicamente sem as retirar do seu local na motherboard. 107 LabII(Arquitectura de Computadores)

108 MEMORIA ROM 108 LabII(Arquitectura de Computadores)

109 MEMÓRIA CACHE O processador é muito mais rápido do que a memória RAM. Isso faz com que fique subutilizado quando envia muitos dados. Durante grande parte do tempo não processa nada, só espera que a memória fique pronta para enviar novamente os dados. Para fazer com que o processador não fique subutilizado quando envia muitos dados para a RAM, foi colocada uma memória mais rápida, chamada de CACHE, O dados são lidos da memória RAM e copiados para a memória Cache. Estando esses dados na Cache, o processador acede mais rapidamente a eles quando necessita. 109 LabII(Arquitectura de Computadores)

110 A memória CACHE é encontrada em dois tipos (níveis): Memória cache L1 Encontra-se dentro do processador ou cache interna. A sua capacidade pode ir até aos 128 Kbytes, divididos em duas partes (uma para dados e outra para instruções). Memória cache L2 Encontra-se na motherboard ou dentro do processador (mais recentemente). Quando é externa, a sua capacidade depende do chipset presente na motherboard. Quando é interna, a capacidade varia de 128 Kbytes a 2 Mbytes. 110 LabII(Arquitectura de Computadores)

111 REGISTRADORES um registrador é uma pequena porção de memória localizada no processador central. Os registradores permitem acessos muito rápidos a dados e são usados para aumentar a velocidade de execução de programas. A maioria das modernas arquiteturas de computadores operam transferindo dados da memória principal para os registradores, onde estes são processados e o resultado é devolvido à memória principal - é a chamada arquitetura de carregamento-armazenamento. (load-store) Os registradores estão no topo da hierarquia da memória e propiciam ao sistema o modo mais rápido de acessar dados. 111 LabII(Arquitectura de Computadores)

112 MEMÓRIA EXTERNA 112 LabII(Arquitectura de Computadores)

113 MEMÓRIA EXTERNA Estas são usadas para o armazenamento e recuperação da informação à uma velocidade mais lenta, mas, com maior capacidade do que uma memória principal, e com uma grande vantagem: O seu conteúdo não se apaga ao se desligar, pois utiliza geralmente meios magnéticos para armazena-lo. Existem dois tipos: 1. Suportes de armazenamento Ex: Discos, disquetes, disco compacto, bandas magnéticas, flash, etc 2. Dispositivos que canalizam a informação entre esses suportes e a MP ou CPU comunicação entre o suporte de armazenamento e a C.P.U. (os dados não vão directamente para o C.P.U). Ex: Drives 113 LabII(Arquitectura de Computadores)

114 MEMÓRIA EXTERNA Discos Duro Armazenamento Óptico CD-ROM CD-Writable (WORM) CD-R/W DVD Fita Magnética 114 LabII(Arquitectura de Computadores)

115 DISCO DURO Um disco é composto por um conjunto de pratos circulares em metal ou em plástico revestido com um material magnetizável (oxido de ferro) Os dados são escritos e lidos através de um dispositivo metálico (cabeça) que é fixo em relação ao prato. 115 LabII(Arquitectura de Computadores)

116 DISCO DURO 116 LabII(Arquitectura de Computadores)

117 ORGANIZAÇÃO E FORMATAÇÃO DOS DADOS Os dados são organizados em pistas concêntricas com a mesma da cabeça espessura Pistas adjacentes são separadas por lacunas (gaps) que reduzem o risco de erros por desalinhamento da cabeça Cada pista tem o mesmo numero de bits Densidade Variável 117 LabII(Arquitectura de Computadores)

118 ORGANIZAÇÃO E FORMATAÇÃO DOS DADOS 118 LabII(Arquitectura de Computadores)

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