ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES I AULA 10: MEMÓRIA E HIERARQUIA DE MEMÓRIAS

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Sérgio Zagalo Aveiro
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1 ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES I AULA 10: MEMÓRIA E HIERARQUIA DE MEMÓRIAS Prof. Max Santana Rolemberg Farias max.santana@univasf.edu.br Colegiado de Engenharia de Computação

2 MEMÓRIA SÃO TODOS OS DISPOSITIVOS QUE PERMITEM GUARDAR DADOS

3 SISTEMA DE MEMÓRIA O sistema de memória de um computador, pode ser mais facilmente compreendido por meio de sua características. Localização Capacidade Unidade de transferência Método de acesso Desempenho Tecnologia Características físicas Organização

4 SISTEMA DE MEMÓRIA: LOCALIZAÇÃO Memória no processador Memória interna Memória externa

5 SISTEMA DE MEMÓRIA: CAPACIDADE Palavra Expressa em função de bytes. Tamanho da palavra Número de palavras Na memória interna é expressa em byte ou palavras. Na memória externa é expressa em byte.

6 SISTEMA DE MEMÓRIA: UNIDADE DE TRANSFERÊNCIA Palavra ou Bloco Na memória interna, a unidade de transferência de dados é o número de bits que podem ser lidos ou escritos de cada vez. Na memória externa, os dados geralmente são transferidos em grande quantidades chamadas de blocos.

7 SISTEMA DE MEMÓRIA: MÉTODO DE ACESSO Sequencial Direto Aleatório Associativo

8 SISTEMA DE MEMÓRIA: DESEMPENHO Tempo de acesso Tempo de ciclo Taxa de transferência

9 SISTEMA DE MEMÓRIA: TECNOLOGIA Semicondutores Magnética Óptica Magneto-óptica

10 SISTEMA DE MEMÓRIA: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Volátil/Não volátil Apagável/Não apagável

11 SISTEMA DE MEMÓRIA: ORGANIZAÇÃO É um aspecto fundamental do projeto de memórias de acesso aleatório. É o arranjo físico dos bits para formar palavras.

12 COMO É O SISTEMA HIERÁRQUICO DE MEMÓRIA DE UM COMPUTADOR?

13 SISTEMA HIERÁRQUICO DE MEMÓRIA DE UM COMPUTADOR CPU Registradores Barramento Barramento de memória Barramento de E/S Memória Principal Memória Secundária

14 HIERARQUIA DE MEMÓRIAS As restrições de projeto de uma memória podem ser resumidas em três questões: Capacidade Velocidade Custo Uma variedade de tecnologias é utilizada para implementação de sistemas de memória. Para essas tecnologias valem as seguintes relações: Tempo de acesso mais rápido, custo de bit maior Capacidade maior, custo por bit menor Capacidade maior, tempo de acesso maior

15 HIERARQUIA DE MEMÓRIAS CPU Se o dado está presente no nível superior (mais perto da CPU) Hit Hit ratio: #hits/#acessos Se o dado está ausente Miss (bloco copiado do nível inferior) Tempo de acesso (miss penalty) Miss ratio: misses/acessos Miss ratio = 1 hit ratio

16 HIERARQUIA DE MEMÓRIAS À medida que descemos em uma hierarquia de memórias, temos as seguintes relações: O custo por bit diminui A capacidade aumenta O tempo de acesso aumenta A frequência de acesso à memória pelo processador dimunui

17 MEMÓRIA PRINCIPAL

18 TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS RAM Possibilita que novos dados sejam lidos e escritos rapidamente; É volátil; Dinâmica Formada de capacitores (refresh constante) Estática Composta por flip-flops; Menos densa que a dimâmica ROM Possui uma vantagem que os programas ficam permanente armazenados; Possui dois problemas: A etapa de gravação de dados tem um custo fixo relativamente alto; Não podem ocorrer erros, se algum bit estiver errado, todo o lote da memória será inutilizado.

19 TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS Leitura e Escrita RAM Random Access Memory SRAM Static RAM DRAM Dynamic RAM VRAM Video RAM Leitura ROM Read Only Memory PROM Programmable ROM EPROM Erasable PROM EEPROM Electrically Erasable PROM (apaga byte a byte) Flash EPROM Fast Erasable EPROM (apaga por bloco)

20 TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS Tipo de Memória RAM Categoria Apagamento Escrita Volatilidade Leitura/Escrita Elétrico (byte a byte) Elétrica Volátil ROM Apenas leitura Impossível Máscara Não volátil PROM Apenas leitura Impossível Elétrica Não volátil EPROM Principalmente leitura Ultravioleta Elétrica Não volátil EEPROM Principalmente leitura Elétrico (byte a byte) Elétrica Não volátil Flash EPROM Principalmente leitura Elétrico por bloco Elétrica Não volátil

21 MEMÓRIA PRINCIPAL: RAM É o principal tipo de memória principal. As memórias RAM tem as seguintes características: Possibilidade que novos dados sejam lidos e escritos rapidamente e de modo fácil; É volátil; Dinâmica (formada de capacitores); Estática (composta por flip-flops)

22 MEMÓRIA RAM: DINÂMICA vs ESTÁTICA DRAM Grande capacidade de integração (baixo custo por bit) Perda de informação após algum tempo. Necessidade de refreshing SRAM Pequeno tempo de acesso Não existe necessidade de refreshing Alto custo por bit (baixa integração)

23 MEMÓRIA RAM: TECNOLOGIA PARA MEMÓRIA Tipo Tempo de acesso Custo SRAM 0,5 ns à 2,5 ns $ 2000,00 à $ 5000,00 por GB DRAM 50 ns à 70 ns $ 20,00 à $ 75,00 por GB HD 5 ms à 20 ms $ 0,20 à $ 2,00 por GB

24 MEMÓRIA PRINCIPAL: ROM Contém um padrão permanente de dados que não pode ser alterado. É possível apenas ler os dados armazenados. Possui uma vantagem que os programas ficam permanentemente armazenados. Possui dois problemas: A etapa de gravação de dados tem um custo fixo relativamente alto, que não depende do número de cópias Não podem ocorrer erros: se algum bit estiver errado, todo o lote da memória será inutilizado.

25 MEMÓRIA ROM: PROM Uma alternativa mais barata de memória ROM. Características: Não volátil Gravação pode ser feita pelo cliente Mais vantajoso no caso de produção em larga escala

26 MEMÓRIA ROM: PRINCIPALMENTE DE LEITURA Há três formas comuns de memória principal de leitura: EPROM Pode ser apagada por um processo óptico (todas as células de memória são apagados). EEPROM Os dados podem ser gravados sem necessidade de apagar todo seu conteúdo anterior. Memória flash Introduzida em meados dos anos 80, esse tipo de memória apaga e lê dados rapidamente.

27 640K OUGHT TO BE ENOUGH FOR ANYBODY. BILL GATES (1981)

1920 1935 1945 1955 1975 2020 2025 Cálculo por segundo por $1000 1 K 4004 8080 Eletromecânico Relay de estado sólido 4 K 16 K 8086 Apple II 80286 IBM PC i386 IBM 1130 DEC PDP 10 ALTAIR 8800 64 K 256

28 Cálculo por segundo por $ K Eletromecânico Relay de estado sólido 4 K 16 K 8086 Apple II IBM PC i386 IBM 1130 DEC PDP 10 ALTAIR K 256 K 1 M 4 M Óptico ou Quântico Número de Transistores 16 M 64 M 4 G 16 G 64 G COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE CPU VS MEMÓRIA PRINCIPAL Válvula Transistor Circuito integrado M 256 M 512 M 1 G 2 G

29 MEMÓRIA CACHE

30 MEMÓRIA CACHE O uso da memória cache, visa obter uma velocidade de acesso. Nível de memória mais próximo da CPU

31 MEMÓRIA CACHE A memória cache é constituída por várias linhas de palavras, sendo o número de linhas consideravelmente menor do que o número de blocos da memória principal. Ao ler um bloco da memória, ele é transferido para uma das linhas da cache, assim não é possível que uma linha armazene um mesmo bloco permanentemente, por isso a linha da cache inclui um rotulo (que identifica qual é o bloco de memória). Este rótulo é geralmente uma parte do endereço de memória.

32 MEMÓRIA CACHE

33 MEMÓRIA CACHE

34 MEMÓRIAS CACHE MODERNAS As linhas de dados e de endereços são também conectadas a áreas de armazenamento temporário de dados e de endereços, que se conectam ao barramento do sistema, por meio do qual é feiro o acesso à memória principal.

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