Introdução a Organização de Computadores Aula 4

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1 1 Subsistemas de Memória 4.1 Introdução A memória é o componente de um sistema de computação cuja função é armazenar as informações que são (ou serão) manipuladas por esse sistema, para que as informações possam ser prontamente recuperadas, quando necessário. Conceitualmente, a memória é um componente muito simples: é um depósito onde são guardados certos elementos (informações) para serem usados quando desejado. Na prática, não é possível construir e utilizar apenas um tipo de memória, a memória de um computador também é em si um subsistema, constituída de vários componentes (tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar informações e permitir sua recuperação quando requerido. A necessidade de existência de vários tipos de memória ocorre em virtude de vários fatores. Em primeiro lugar, o aumento da velocidade das UCP, muito maior que o tempo de acesso da memória, ocasiona atrasos na transferência de bits entre memória e UCP. Outro fator é a capacidade de armazenamento de informações cada vez maior, em face do aumento do tamanho dos programas, bem como o aumento do volume dos dados que devem ser armazenados e manipulados nos sistemas atuais. A UCP manipula um dado em 5 nanossegundos, a memória pode transferir um dado para a UCP em 60 nanossegundos. Pode-se afirmar que a UCP, em cada 60 nanossegundos, trabalharia 5 e ficaria 55 nanossegundos ociosa, acarretando uma baixa produtividade do sistema. O aumento da velocidade da UCP tem sido bem maior que o aumento da velocidade de acesso das memórias. A quantidade de instruções executadas por segundo por um processador tem dobrado a cada 18 meses para o mesmo preço, a velocidade de acessos das memórias tem aumentado cerca de 10% ao ano e sua capacidade de armazenamento venha quadruplicado a cada 36 meses. Há duas únicas ações que podem ser realizadas em uma memória. A primeira é guardar um elemento, genericamente denominada armazenar, a operação em si para consecução deste armazenamento é chamada de escrita ou gravação (write). A segunda é a ação de recuperação do elemento guardado, esta ação se denomina recuperar (retrieve) e a operação para realizá-la chama-se leitura (read). Exemplo Na caixa de correio de um edifício de apartamentos o conceito é semelhante da utilização da memória. A informação é a carta. Cada apartamento possui um endereço. A ação de colocar a carta feita pelo carteiro consiste na operação de armazenamento. E a ação do proprietário de apanhar sua correspondência é a recuperação ou leitura de dados. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 1

2 Como as informações são representadas na memória A memória tem como elemento básico de armazenamento o bit. O modo pelo qual cada bit é representado na memória é variado: pode ser um sinal elétrico, um campo magnético ou ainda por presença / ausência de um ponto de luz. Os computadores conseguem apenas distinguir sinais elétricos diferentes. Os sistemas de computação costumam grupar uma determinada quantidade de bits, identifica-se esse grupo com célula. Uma célula é um grupo de bits tratado em conjunto pelo sistema, sendo assim identificado para efeitos de armazenamento e transferência, como uma unidade. obs.: O termo célula só costuma ser utilizado para identificar a unidade de armazenamento da memória principal Como se localiza uma informação nas Memórias De modo análogo, em um sistema de computação os grupos de bits são identificados por um número, denominado endereço. O sistema de controle de memória é construído de modo a localizar um certo grupo de bits a partir do seu endereço. Esses endereços não são fisicamente representados Operações realizadas em uma Memória Em uma memória pode se realizar essas duas ações: - escrita ou gravação ou armazenamento (write ou Record); e - leitura ou recuperação (Read ou Retrieve). Ao armazenar um dado em uma célula o conteúdo anterior é destruído, os bits que chegam são gravados por cima dos que estavam no local. A operação de leitura não deve ser destrutiva, pois é uma ação de copiar um valor para outro local, permanecendo o mesmo valor no local de origem. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 2

3 3 4.2 Hierarquia de Memória Há muitas memórias no computador, as quais se interligam de forma bem estruturada, fazendo parte do sistema de computação e denominada subsistema de memória. Esse subsistema é projetado de modo que seus componentes sejam organizados hierarquicamente. Custo Alto Velocidade alta Baixa capacidade Registradores Memória cache Memória principal Custo baixo Velocidade baixa Capacidade elevada Memória secundária A seguir serão definidos os principais parâmetros que caracterizam um tipo de memória. Tempo de acesso indica quanto tempo a memória gastar para colocar uma informação na barra de dados após uma determinada posição ter sido endereçada. É o período de tempo decorrido desde o instante em que foi iniciada a operação de acesso (UCP passa o endereço de acesso para o sistema de memória) até que a informação requerida tenha sido efetivamente transferida. O valor do tempo de acesso é dependente da tecnologia de construção e da velocidade dos circuitos, ela pode variar bastante para cada tipo, alguns poucos nanossegundos no caso da memória principal até dezenas ou centenas de milissegundos no caso de memória secundária. O período de tempo decorrido entre duas operações sucessivas de acesso à memória é chamado de ciclo de memória. Capacidade é a quantidade de informação que pode ser armazenada em uma memória. A unidade de memória mais comum é o byte. Embora possam ser usadas outras unidades como células (no caso de memória principal ou cache), setores (no caso de discos) e bits (no caso de registradores). Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 3

4 4 Volatilidade memórias podem ser do tipo volátil ou não-volátil. Não-volátil é a que retêm a informação armazenada quando a energia elétrica é desligada. Volátil é aquela que perde a informação armazenada quando o equipamento é desligado. Todo sistema de computação deve possuir alguma quantidade de memória não-volátil, pelo menos algumas instruções armazenadas para serem executadas inicialmente, sempre que ligar o computador. Exemplos: Registradores são do tipo volátil. Memórias magnéticas e ópticas, como discos e fitas, são do tipo não-volátil. Tecnologia de fabricação - Segue algumas tecnologias de fabricação de memórias: a) Memórias de semicondutores fabricados com circuitos elétricos e baseados em semicondutores. Registradores, memória principal e memória cachê são exemplos de memórias de semicondutores. b) Memórias de meio magnético São dispositivos, como os disquetes e discos rígidos (hard disks), fabricados de modo a armazenar informações sob a forma de campos magnéticos. Esse tipo de memória é mais barato e permite o armazenamento de grande quantidade de informação. O método de acesso às informações armazenadas em discos e fitas é diferente, resultando em tempos de acessos diversos. c) Memórias de meio ótico são dispositivos, do tipo CD-ROM, capazes de armazenar cerca de 650 Mbytes de informação. Tais dispositivos utilizam um feixe de luz para marcar o valor (0 ou 1) de cada lado em sua superfície. Temporariedade - É o tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória. Informações podem ser armazenadas em discos ou disquetes e lá permanecem armazenadas indefinidamente (há sempre a possibilidade de perda de magnetismo com o passar do tempo). Pode-se então, definir esse tipo de memória como permanente. Registradores, armazenam um dado por um tempo extremamente curto, esta retenção não dura mais do que o tempo de execução do programa ou parte dele. É uma memória do tipo transitória. Outros exemplos de memórias de permanência transitória de dados são a memória cache e memória principal, embora os dados nelas permaneçam armazenados por mais tempo do que nos registradores. Custo o custo de fabricação é bastante variado. Entre os quais se pode mencionar principalmente a tecnologia de fabricação. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 4

5 Registradores Antes que a instrução seja interpretada, o processador precisa buscar a instrução de onde ela estiver armazenada (memória cache ou principal) e armazená-la em seu próprio interior, em um dispositivo de memória denominado registrador de instrução. Os resultados de um processamento precisam, as vezes, ser guardados temporariamente na UCP ou serem novamente manipulados ou serem transferidos para um memória externa, esses dados são armazenados em pequenas unidades de memória denominadas registradores. Analisando os parâmetros temos: Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia Temporariedade Custo Possuem o menor tempo de acesso/ciclo de memória do sistema (1 a 5 nanossegundos) São fabricados com capacidade para armazenar um único dado, uma única instrução Necessitam de energia elétrica, são memórias voláteis. São memórias de semicondutores, fabricados com tecnologia igual a dos demais circuitos da UCP São memórias auxiliares internas a UCP, tendem a armazenar informação por muito pouco tempo, apenas pelo tempo necessário para sua utilização Devido a tecnologia mais avançada, é o dispositivo de maior custo entre as memórias Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 5

6 Memória Cache Em toda execução de uma instrução, a UCP acessa a memória principal (sem cache), pelo menos uma vez, para buscar instrução e transferi-la para um dos registradores. Esta interface entre o processador e a memória principal vem sendo um ponto frágil no que se refere a performance do sistema. Foi desenvolvida uma técnica que consiste na inclusão de um dispositivo de memória entre UCP e MP, denominado memória CACHE, cuja função é acelerar a velocidade de transferência das informações entre UCP e MP e aumentar o desempenho dos sistemas de computação. Esse tipo de memória é fabricado com tecnologia semelhante à da UCP, resultando numa considerável redução da espera da UCP para receber dados e instruções da cache. Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia Temporariedade Custo Possui velocidade de transferência tal que lhe garante tempo de acesso menores que 5 a 7 ns, Oscilam entre 64K e 2MB de cache secundária e 16K ou mais para a cache primária. Dispositivos voláteis. Fabricadas com circuitos eletrônicos de alta velocidade Tempo de permanência relativamente pequeno, há necessidade de alteração periódica da informação, para permitir entrada de novas informações Custo de fabricação alto Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 6

7 Memória Principal É a memória especificada para armazenar o programa a ser executado, é a memória básica de um sistema de computação. É o dispositivo onde o programa que vai ser executado é armazenado para que a UCP busque instrução por instrução, para executá-las. Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia Temporariedade Custo Possuem tempo de acesso entre 7 e 15 ns. É bem maior do que a da memória cache. Os valores estão na faixa de dezenas de Mbytes, raramente um microcomputador não possua algo em torno de 32MB de memória principal. É volátil. Há normalmente uma pequena quantidade de memória não-volátil fazendo parte da memória principal, qual serve para armazenar pequena quantidade de instruções que são executadas sempre que o computador é ligado. Tecnologia de semicondutores. Tem velocidade mais elevada de transferência, garantindo baixos tempos de acesso em comparação com o modelo anterior. As instruções e dados permanecem temporariamente na MP enquanto durar a execução do programa. Tem um custo mais baixo, podem ser vendidos computadores com uma quantidade apreciável de MP (32MB, 64MB e até 128MB) Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 7

8 Memória Secundária É um tipo de memória com maior capacidade de armazenamento do que as outras, tem menor custo por byte armazenado e com tempos de acessos bem superiores. Tem o objetivo garantir um armazenamento mais permanente aos dados e programas do usuário, deve naturalmente possuir maior capacidade que a memória principal. É constituída por diferentes tipos de dispositivos, alguns diretamente ligados ao sistema para acesso imediato (discos rígidos, por exemplo) e outros que podem ser conectados quando desejado (disquetes, CD-ROM e etc). Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia Temporariedade Custo Possuem tempo de acesso maiores. Os discos rígidos tem acessos de 8 a 15 milissegundos. Grande capacidade de armazenamento, variam entre 2 e 50 Gbytes. Não-volátil. Não se perdem nem desaparecem quando não há alimentação de energia elétrica. Há diferentes tecnologias de fabricação, o que dificulta a descrição neste item Componente de armazenamento com caráter permanente ou pelo menos de longo período. Tem um custo mais baixo, podem ser vendidos computadores com uma quantidade apreciável de MP (32MB, 64MB e até 128MB) 4.3 Memória Principal MP Foi projetada para fazer um acesso rápido e fácil pela UCP Organização da Memória Principal - A MP é o deposito de trabalho da UCP, elas trabalham juntas na execução de um programa. As instruções e dados ficam armazenados na MP e a UCP vai buscando-os um a um à medida que a execução vai se desenrolando. - Palavra: é a unidade de informação do sistema. - endereço, conteúdo e posição de MP: defini sua localização dentro da organização. - Unidade de armazenamento: A MP é organizada em unidades de armazenamento, denominadas células, cada uma possuindo um número de identificação seu endereço e contendo em seu interior uma quantidade de bits. - Unidade de transferência: Quantidade de bits que é transferida da memória em sua operação de leitura e em sua operação de escrita. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 8

9 9 Abaixo algumas vantagens dessa memória: - São memórias de acesso aleatório (RAM Random Access Memory) - Ocupam relativamente pouco espaço, podendo muitos bits ser armazenados em uma pastilha (chip) - Possuem tempo de acesso pequeno Considerações sobre a Organização da Memória Principal - A célula é um conjunto constituída de circuitos eletrônicos que permitem o armazenamento de valores 0 e 1, os quais representam um dado ou uma instrução. - A quantidade de bits que pode ser armazenada em cada célula é um requisito definido pelo fabricante Operações com a Memória Principal - escrita armazenar informações na memória (operação destrutiva); - leitura recuperar uma informação armazenada na memória (não destrói o conteúdo da célula); Tipos de Nomenclatura de MP (Memória Principal) A memória principal é fabricada com tecnologia e semicondutores, que permite elevada velocidade de acesso e transferência de bits. A velocidade de propagação de um sinal elétrico é nominalmente a velocidade da luz ( km/s). Para que um programa seja executado, é necessário que suas instruções e os dados por elas manipulados estejam armazenados, ainda que temporariamente, na memória principal (MP). Este programa e dados estão normalmente armazenados de forma permanente na memória secundária. Atualmente a UCP não acessa diretamente a MP, ela procura inicialmente a instrução desejada no momento ou o dado requerido para um processamento. A MP é construída com tecnologia que lhe permite tempos de acessos na faixa de nanossegundos (variável entre 7 a 7ns), o tempo de acesso a célula é igual independente da localização física da célula, daí o seu nome de memória de acesso randômico (RAM). A tecnologia RAM tem variações que foram evoluindo com o tempo, as quais redundaram em vários tipos de memória. Estes tipos podem ser grupados em duas vertentes: SRAM (Static RAM) e DRAM (Dynamic RAM). O primeiro tipo mais rápido e de custo mais elevado, costuma ser utilizado na construção de memórias cache, e o outro tipo, DRAM, é usado nas memórias principais tradicionais. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 9

10 Memórias ROM Memórias de semicondutores fabricadas para atingir três objeetivos: 1- Ter desempenho semelhante aos das memórias R/W de semicondutores. 2- Não ser volátil 3- Ter segurança, permitir apenas leitura de seu conteúdo por determinados programas Todo sistema de computação utiliza uma parte do espaço de endereçamento da memória principal com memórias do tipo ROM. Nanossegundos: Espaço de tempo, bilionésima parte de um segundo. É preciso 1 bilhão de nanossegundos para ter 1 segundo. Prof. Leandro Cestari Pinho - UNIA Página 10