PCS-2529 Introdução aos Processadores. Prof. Dr. Paulo Sérgio Cugnasca

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Rui Beppler Peralta
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2 4. MEMÓRIA 2

3 4. MEMÓRIA A memória é um componente essencial de todo computador, sendo utilizada para armazenar as instruções a serem executadas e os dados Propriedades da Memória Existem várias formas de se organizar uma pastilha de memória. 3

4 4.1. Propriedades da Memória A0 A0 A1 A1 A2 A2 A3 D0 A3 A4 D1 A4 Din A5 D2 A5 A6 Pastilha de D3 A6 Pastilha de A7 Memória de D4 A7 Memória de A8 32K x 8 bits D5 A8 256K x 1 bit A9 D6 A9 Dout A10 D7 A10 A11 A11 A12 A12 A13 A13 A14 A14 A15 A16 OE WE CS A17 OE WE CS 4

5 4.1. Propriedades da Memória Tipicamente, a capacidade das pastilhas de memória vem aumentando de um fator de 4 a cada 3 ou 4 anos. Exemplo: organizações de memória RAM de 256Kbits. 32K x 8 bits: 15 linhas de endereços. 8 linhas de entrada e saída de dados. 256K x 1 bit: 18 linhas de endereços. 1 linha de entrada de dados. 1 linha de saída de dados. OE (Output Enable): sinal de habilitação de saída. WE (Write Enable): sinal de habilitação de escrita. CS (Chip Select): sinal de seleção da pastilha. 5

6 4.1. Propriedades da Memória Tipos de memórias: RAM (Random Access Memory). RAM estática Retém as informações enquanto alimentadas. RAM dinâmica Necessita de refrescamento. Lógica externa Lógica interna (RAM quase estática). As pastilhas de RAM estáticas são mais rápidas, mas de menor capacidade. As células de RAM dinâmica ocupam menos espaço na pastilha e estas tem uma maior capacidade e um menor custo por bit. São mais lentas. 6

7 4.1. Propriedades da Memória Tipos de memórias: ROM (Read-Only Memory). * São memórias que não podem ser apagadas nem alteradas. Os dados são armazenados durante a fabricação da memória. PROM (Programmable ROM). São memórias do tipo ROM que somente podem ser gravadas uma vez. Após isso, passam a ser memória de leitura somente. Uso: desenvolvimento de novos produtos. EPROM (Erasable PROM). São memórias do tipo PROM que permitem não só a gravação de informações, mas também o seu apagamento. O apagamento se dá mediante a sua exposição a luz ultravioleta. Uso: projetos em desenvolvimento. EEPROM (Electrically Erasable PROM) ou EAROM (Electrically Alterable ROM). São semelhantes às EPROMs, só que o apagamento dos dados se dá mediante um sinal elétrico. 7

8 4.2. Memória Virtual A memória nos primeiros computadores modernos eram caras e pequenas. Os programadores se preocupavam principalmente em construir programas que utilizassem o mínimo possível de memória. Um bom algoritmo podia ser descartado se ocupasse muita memória. Os programas começavam a ficar grandes e não cabiam na memória. Primeira solução encontrada para resolver este problema: técnica do overlay: O programa é dividido em uma série de pedaços, denominados de overlays, que individualmente cabem na memória. Os overlays ficam armazenados na memória secundária. Para um programa ser executado, inicialmente é carregado o primeiro overlay, que ao terminar, providencia a carga de outro overlay, e assim por diante. O gerenciamento dos overlays fica por conta do programador. Uma solução automática para a gerência dos overlays foi proposta, conhecida como Memória Virtual, cujo objetivo é fazer a máquina parecer que tem mais memória do que ela realmente tem (Manchester, Inglaterra, 1961). Esta solução foi sendo adotada em substituição ao overlay tradicional, e hoje os microprocessadores mais modernos oferecem recursos para a implementá-la. 8

9 Princípio da Localidade de Referência: Durante a execução de um programa existem certos endereços que são mais frequentemente gerados pela CPU, denominados regiões preferenciais de acesso, e estes endereços tendem a se agrupar. A variação dos endereços mais referidos normalmente é lenta em relação à execução das instruções (aproximadamente sequencial). Consequências do Princípio da Localidade de Referência: Antecipação de dados armazenados na memória (ocorre através da transferência de blocos); Reutilização de dados armazenados na memória principal (por exemplo, através da execução de loops, e uso constante de estruturas de dados). 9

10 4.3. Memória Cache Historicamente, as CPUs sempre foram mais rápidas do que as memórias. Consequência: CPU tem que esperar a resposta da memória. O problema não é tecnológico, mas econômico. Ficaria proibitivo prover um computador com grande quantidade de memória rápida (exceto para supercomputadores). Situações possíveis: Computador com pouca memória, mas memória rápida. Computador com muita memória, mas memória lenta. Solução desejável: Computador com muita memória e rápida! Solução possível: combinar uma pequena quantidade de memória rápida e cara (cache) com uma grande quantidade de memória lenta e mais barata. 10

11 4.3. Memória Cache Premissas: Se o endereço A acabou de ser acessado, é possível que a próxima referência à memória seja feita nas vizinhanças do endereço A. A menos dos desvios, o programa é executado sequencialmente. A maior parte do tempo de execução de um programa é gasta com loops. A base do funcionamento de todos os sistemas de cache é o Princípio da Localidade de Referência. Princípio da Localidade de Referência: Durante a execução de um programa existem certos endereços que são mais frequentemente gerados pela CPU, denominados regiões preferenciais de acesso, e estes endereços tendem a se agrupar. A variação dos endereços mais referidos normalmente é lenta em relação à execução das instruções (aproximadamente sequencial). Consequências do Princípio da Localidade de Referência: Antecipação de dados armazenados na memória (ocorre através da transferência de blocos); Reutilização de dados armazenados na memória principal (por exemplo, através da execução de loops, e uso constante de estruturas de matrizes). 11

12 4.3. Memória Cache Organização comum de CPU, memória principal e memória cache: Placa da CPU Placa da Memória Memória pequena, rápida e cara. CPU Cache Memória Principal Memória grande, lenta e mais barata. Barramento 12

13 4.3. Memória Cache Exemplo: Se um endereço é referenciado k vezes (leitura ou escrita) num intervalo curto de tempo, tem-se: 1 referência a memória lenta. (k-1) referência a memória rápida. Supondo: c: tempo de acesso a memória cache. m: tempo de acesso a memória principal. h: taxa de acerto (hit ratio), que é a parte das referências satisfeitas pelo cache. 1 - h: taxa de falha (miss ratio). h = (k-1)/k. tempo médio de acesso = c + (1-h)*m Se h 1, t c; se h 0, t c+m. 13

14 4.3. Memória Cache Cache de Dois Níveis Atualmente a tecnologia de circuitos integrados permite a inclusão de uma memória cache (pequena) diretamente na pastilha de CPU (microprocessador). Torna-se necessário colocar uma memória cache de maior capacidade externamente a pastilha. Cache de dois níveis: Nível 1: cache interno. Nível 2: cache externo. Funcionamento: Dado um endereço, o cache de nível 1 verifica se o bloco correspondente está no cache. Se estiver, o acesso é imediato. Caso não esteja, o cache de nível 2 é acionado e verifica se o bloco esta no cache. Se estiver, o acesso é rápido, e o bloco é atualizado no cache de nível 1. Caso também não esteja, o bloco é lido da memória principal e o acesso é mais lento. O bloco é atualizado tanto no cache de nível 2 quanto no cache de nível 1. Exemplo 1: Intel 80486DX: Cache interno de 8Kbytes para instruções e dados. 4-way set associative cache (4 entradas por slot, sendo um total de 128 slots). 14

15 4.3. Memória Cache Escritas do tipo write through (sempre geram ciclo de escrita na memória externa (cache ou principal)). A atualização interna só ocorre se houver um hit. Tag 21 bits (2 21 ) Bloco de 16 bytes (2 4 ) [128 bits] 128 Tags 2 Kbytes 128 Blocos (2 7 ) 2 Kbytes 2 Kbytes 2 Kbytes Exemplo 2: Intel Pentium: Cache interno de 16Kbytes: 8Kbytes para instruções e 8Kbytes para dados. 15

16 4.3. Memória Cache Exemplo 3: Intel Pentium Pro (P6) Cache interno de 16Kbytes: 8Kbytes para instruções e 8Kbytes para dados. Cache embutido de nível 2 de 256 Kbytes para instruções e dados (dois componentes em encapsulamento único). Dispensa a necessidade de um cache externo ao componente. Exemplo 4: Motorola Cache interno de 256 bytes para instruções e dados; Exemplo 5: Motorola Cache interno de 512 bytes: 256 bytes para instruções e 256 bytes para dados; Exemplo 6: Motorola Cache interno de 4Kbytes para dados e instruções independentes. 16

17 4. MEMÓRIA 17

18 4. MEMÓRIA 18

19 4. MEMÓRIA 19

20 4. MEMÓRIA 20

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