Organização Básica de Computadores. Memória. Memória. Memória. Memória. Memória Parte I. Computador eletrônico digital. Sistema composto por

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1 Ciência da Computação Arq. e Org. de Computadores Parte I Organização Básica de Computadores Computador eletrônico digital Sistema composto por processador memória dispositivos de entrada e saída interligados. Prof. Sergio Ribeiro Parte do computador onde os programas e os dados são armazenados. 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 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. de um computador vários componentes (vários tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar informações. Conceitos Importantes: Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia de fabricação Temporariedade Custo 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. Custo alto Velocidade alta Baixa capacidade Hierarquia de Registradores Hierarquia de Discos CD-ROM Custo baixo Velocidade baixa Capacidade elevada Secundária 6 1

2 Registradores Elementos superiores da pirâmide de memória por possuírem a maior velocidade de transferência dentro do sistema (menor tempo de acesso), menor capacidade de armazenamento e maior custo. s rápidas usadas em execução de instruções dentro do processador. Objetivo minimizar os acessos às memórias externas ao processador. 7 Registradores Podem ser divididos grosseiramente em categorias: Registradores de propósito específico cumprem funções específicas (Ex.: PC ou IP e SP) alguns só são usados pelo processador Registradores de propósito geral usados para armazenar variáveis locais e resultados intermediários são, em geral, simétricos e intercambiáveis (usados indistintamente) 8 Registradores Registradores Os principais registradores do Pentium II Parâmetros menor tempo de acesso, baixa capacidade (ex.: bits), dispositivos voláteis, memória de semicondutores, armazenamento temporário e apresenta o custo mais elevado É a memória básica de um sistema de computação desde seus primórdios. É o dispositivo no qual o programa (e seus dados) que vai ser executado é armazenado para que a CPU "busque" instrução por instrução. Uma das principais características definidas no projeto de arquitetura do sistema de Von Neumann, o qual se constitui na primeira geração dos computadores, consistia no fato de ser uma máquina "de programa armazenado". O fato de as instruções, uma após a outra, poderem ser imediatamente acessadas pela CPU é que garante o automatismo do sistema e aumenta a velocidade de execução dos programas. 11 Capacidade na ordem de GB, por exemplo. Dispositivos voláteis são memórias que mantém o seu conteúdo apenas enquanto há alimentação elétrica. Tecnologia em sistemas atuais esta tecnologia produz memória com elementos dinâmicos (por exemplo: DRAM). 1

3 Endereço 0 Endereço N-1 Leitura/ escrita R/W ROM Endereço 0 Endereço N-1 a) Nomenclatura correta b) Nomenclatura popular Configuração da memória principal (MP) de um microcomputador do tipo PC. RAM RAM R/W ROM 1 Temporariedade variável, depende de várias circunstâncias (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. A DRAM tem um custo mais baixo que o das memórias cache são vendidos computadores com quantidade apreciável de MP (1 MB, GB, GB) sem que o preço seja inaceitável. 1 Quanto maior a capacidade de armazenamento (em Bytes), maior a capacidade de processamento. Uso de memória virtual uso do HD como extensão da (uso de um arquivo no HD pagefile.sys no Windows). Mas isto está sendo superado por haver memórias de grande capacidade. 1 Endereços de : formada por um conjunto de células (posições), cada uma guarda uma informação. Célula menor unidade endereçável (tamanho padrão usual 8 bits 1 byte). Bytes são agrupados em palavras palavra de bits tem bytes/palavra. Maioria das instruções de uma máquina opera sobre palavras. Máquina de bits deverá ter registradores e instruções para tratar palavras de bits. 16 Endereços de : Endereço da célula número associado à célula, que permite aos programas referenciála. de n células 0 a n-1 endereços. Célula de k bits pode armazenar k combinações de bits. 17 Três maneiras de se organizar uma memória de 96 bits: Endereço Endereço 1 célula Endereço bits (a) bits (b) bits (c) 18

4 Exercício 1 Uma memória principal RAM (MP) tem um espaço máximo de endereçamento de K. Cada célula pode armazenar 16 bits. a) Qual o valor total de bits que pode ser armazenado nesta memória? b) Qual o tamanho de cada endereço? 19 Exercício Um computador, cuja memória RAM (MP) tem uma capacidade máxima de armazenamento de K palavras de 16 bits cada, possui um REM e um RDM. a) Qual o tamanho destes registradores? b) Qual o valor do maior endereço dessa MP (em decimal e em hexa)? c) Qual a quantidade total de bits que nela pode ser armazenada? 0 Existem, basicamente, formas de organização dos bytes em uma palavra de memória: ordenação big endian ordenação little endian Os termos big endian (maior valor em primeiro lugar) e little endian (menor valor em primeiro lugar) foram inseridos no jargão da computação por um artigo publicado em 1981, citando o problema e relacionando-o a um episódio mencionado no livro As Viagens de Gulliver povo que foi à guerra para decidir qual a melhor maneira de quebrar ovos, se pelo maior (big) lado ou se pelo menor (little) lado. Ordenação big endian Bytes são numerados da esquerda para a direita (0, 1,,..., n-1). Usada por sistemas Unix (arquiteturas SPARC, IBM Mainframe). Exemplo numérico com bytes: 00H = Ordenação little endian Exemplo: Bytes são numerados da direita para esquerda (n-1,...,, 1, 0). Usada por IBM PCs (arquiteturas INTEL). Exemplo numérico com bytes: 00H =

5 big endian little endian Registro do funcionário Jim Smith, 1 anos, empregado do departamento Problemas causados pela falta de padronização do armazenamento em memória: interpretação de instruções e dados em redes. softwares que rodam em várias plataformas devem tratar essas diferenças. Importante a solução para o problema não é trivial, em geral se baseia em inversão dos bytes. Isto funciona para valores numéricos mas não para cadeias de caracteres. 7 Problemas (Processador ): Acesso à memória (leitura e escrita) um dos motivos para menor velocidade de processamento. Processador muito mais rápido do que a transferência de dados. Soluções: Processador deve executar outras instruções enquanto aguarda acesso à memória. Isto nem sempre é possível e é difícil de implementar. Colocar memória principal no Chip do processador. Isto tornaria o chip maior e mais caro. Uso de uma memória menor e mais rápida (em relação à memória principal) chamada. 8 Dispositivo de memória entre a CPU e a MP. Função acelerar a velocidade de transferência das informações entre CPU e MP, aumentando o desempenho dos sistemas. Usada para armazenamento de instruções e dados mais freqüentemente acessados do programa em execução. As palavras de memória mais usadas pelo processador devem permanecer armazenadas na cache. Somente no caso de ela não estar armazenada na cache é que a busca se dará na memória principal. Cache da palavra francesa cacher, que significa esconder. 9 Logicamente cache é colocada entre o processador e a memória principal. Fisicamente existem vários lugares possíveis para a cache. 0

6 e Organização típica de uma memória cache 1 Exemplo de funcionamento do sistema: UCP vai buscar uma nova instrução (ou dado), após a busca inicial acesso à memória cache. Instrução (ou dado) na cache acerto (hit ). Instrução (ou dado) não está na cache falta/falha (miss ). Falha no acesso à cache ocorre sempre que o processador procura uma informação na cache e essa informação não está armazenada neste local, havendo necessidade de buscá-la na memória principal. e Fabricada com tecnologia semelhante à da CPU possui tempos de acesso compatíveis, resultando numa considerável redução da espera da CPU para receber dados e instruções da cache, ao contrário do que acontece em sistemas sem cache. Há diversos tipos de memória cache utilizados em sistemas de computação modernos Cache para a (RAM cache), Cache para Disco. Podem existir caches primárias (dentro do processador) e outra secundária (fora do chip do processador) e até uma terceira cache mais externa. Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis Cache L1 (Level 1 - nível 1), Cache L e Cache L. Cache L1 (primária) interna ao processador. Cache L (externa ou secundária) instalada, em geral, na placa-mãe do computador. Atualmente localizada no interior da pastilha do processador, separada deste (cache backside). Cache L existente em alguns processadores, localizada externamente ao processador. Quanto mais próxima do processador, melhor será o desempenho do mesmo. 6 6

7 Formas Utilizadas Cache unificada: instruções e dados usando a mesma cache. mais simples de projetar. estabelece automaticamente um equilíbrio entre as buscas de instruções e as buscas de dados. Organização da do Pentium Cache dividida (Arquitetura de Harvard): uma cache para instruções e outra para dados. permite acesso em paralelo a instruções e a dados. Arquitetura de Harvard alusão ao computador Mark III projetado por Howard Aiken, que tinha memórias diferentes para instruções e para dados. 7 8 Secundária Capacidade deve-se conciliar o compromisso de uma apreciável capacidade com a não-elevação demasiada de seu preço. Ex: 16K a MB Dispositivos voláteis. Tecnologia circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em geral, são memórias RAM estáticas (SRAM). Armazenamento temporário. O custo de fabricação das memórias cache é alto. s cache internas à CPU ainda são mais caras do que as externas. 9 Denominada memória secundária, memória auxiliar ou memória de massa. Objetivo garantir um armazenamento mais permanente à toda a estrutura de dados e programas do usuário deve possuir maior capacidade que a memória principal. Pode ser constituída por diferentes tipos de dispositivos, alguns diretamente ligados ao sistema para acesso imediato (Ex.: discos rígidos), e outros que podem ser conectados quando desejado (ex: disquetes, CD-ROM, etc.). 0 Secundária Secundária Tempo de acesso/ciclo de memória são, em geral, dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramente eletrônicos possuem tempo de acesso maiores. Discos do tipo CD-ROM 10 a 00 ms, por exemplo, fitas magnéticas ordem de segundos. Capacidade varia bastante dependendo do tipo de dispositivo utilizado. Exemplos: Discos rígidos 00 GB CD-ROM 700 MB Fitas magnéticas a capacidade depende do comprimento da fita e da densidade de gravação. 1 Volatilidade não voláteis. Tecnologia este parâmetro possui uma variedade imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo entre os já mencionados (discos rígidos, disquetes, 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. 7

8 s Tipos de memória em uso nos computadores principal Processador (Cache L1 e Registradores) secundária Cache L (separado) 8