ARQUITETURA DE COMPUTADORES

ARQUITETURA DE COMPUTADORES Memória Prof Daves Martins Msc Computação de Alto Desempenho Email: daves.martins@ifsudestemg.edu.br

Fundamentos de Organização de Computadores Memória

Introdução Conceitualmente pode ser definida como um local para o armazenamento de informações onde as duas únicas ações possíveis são a leitura e a escrita. A informação pode ser representada pelo bit ou por um conjunto de n bits que possuem um endereço definido. Num sistema computacional, temos diferentes tipos de memórias, para diferentes finalidades, que se interligam de forma estruturada e que formam o subsistema de memória.

Fundamentos de Organização de Computadores Características

Características das Memórias As características mais importantes numa memória são: Tempo de acesso (leitura); Ciclo de memória; Capacidade de armazenamento; Volatilidade; Tecnologia de fabricação; Temporariedade; e Custo. A seguir vamos definir cada uma destas características.

Tempo de Acesso Indica quanto tempo é necessário para que a memória realize uma operação de leitura, ou seja, quanto tempo leva para o dado ser transportado da célula de memória para o barramento de dados após uma dada posição ter sido endereçada. Este tempo é expresso em: ms (milissegundos = 10-3 ) µs (microssegundos = 10-6 ) ns (nanossegundos = 10-9 ) O Tempo de Acesso serve por exemplo para medir quanto tempo a ação buscar a próxima instrução na memória vai demorar

Tempo de Acesso Nas memórias eletrônicas (RAM, ROM, etc), o tempo de acesso é igual, independentemente da distância física entre o local de um acesso e o local do próximo acesso. Em outras palavras, tanto faz acessar a posição 0001 ou 1234 de memória, o tempo de acesso é o mesmo! O mesmo não ocorre nos dispositivos eletromecânicos (HD, DVD, etc). Ao ler uma posição do disco, a cabeça de leitura/gravação deve ser posicionada mecanicamente sobre outra parte do disco antes da próxima leitura. Este posicionamento é algo bem lento para um computador

Ciclo de Memória Parâmetro utilizado somente em memórias eletrônicas (RAM, etc) e que indica o tempo decorrido entre duas operações sucessivas de acesso à memória (escrita ou leitura). Este valor tende a ser zero em memórias atuais, podendo assim o ciclo de memória ser igual ao tempo de acesso.

Capacidade de Armazenamento É a quantidade de informação que pode ser armazenada na memória. A unidade mais comum é o byte (B), embora também possam ser usadas outras unidades como células (MP ou cache), setores (discos) e bits (registradores). Lembrando nossas unidades: -> bit -> Byte (8 bits) -> Kilo (1024 ou 2 10 bits) -> Mega (2 20 bits) -> Giga (2 30 bits) -> Tera (2 40 bits) Exemplo: 2GB de RAM (2 x 2 30 x Byte)

Volatilidade Uma memória pode ser: Volátil: para manter os dados na memória é necessária que esta esteja sendo constantemente alimentada (energia). Ao desligar o computador perde-se todos os dados desse tipo de memória (RAM e Cache). Não Volátil: mesmo sem ser alimentada, sem energia, a memória continua com os dados gravados (HD, DVD, etc).

Tecnologia de Fabricação Tecnologias mais utilizadas: Memórias de semicondutores: rápidas, caras e de baixa capacidade. Ex.: registradores, cache e memória principal. Memórias de meio magnético: armazena informações sob a forma de campos magnéticos ou ópticos. São memórias baratas, de alta capacidade e mais lentas. Dependem de dispositivos eletro-mecânicos para funcionarem. Ex.: HD.

Temporariedade Indica o tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória: Permanente: são memórias com capacidade de armazenar dados por longos períodos sem a necessidade de realimentação de energia. Ex. DVD, HD, etc. Transitória: armazenam os dados por curto espaço de tempo e necessitam ser sempre realimentadas para manter esses dados. Ex. registradores, RAM.

Custo O custo de uma memória é muito variável. Uma boa medida de custo é verificar quanto custa um byte de memória, para aí sim comparar com o valor de um byte em outros tipos de memória. Compare o custo relativo entre um pente de memória RAM DDR3 de 4GB (R$150,00) e um HD de 500GB SATA2 (R$120,00).

Hierarquia de Memória

Pirâmide Hierárquica Registradores Memória Cache Memória Principal B Mega Giga Quanto mais no topo da pirâmide, mais nos aproximamos do processador (cache e registradores são internos) e na base da pirâmide estão os periféricos (HD, DVD, etc) Memória Auxiliar Tera

Pirâmide Hierárquica Registradores Memória Cache Memória Principal B Mega Giga No topo estão as memórias de baixa capacidade (poucos bits: 8, 16, 31, 64) e a capacidade vai aumentando em direção à base (atualmente Tera Bytes). Memória Auxiliar Tera

Pirâmide Hierárquica Registradores Memória Cache Memória Principal Memória Auxiliar B Mega Giga Tera A velocidade aumenta quando nos aproximamos do topo da pirâmide (os registradores estão na velocidade da CPU) e já as memórias na base são as mais lentas, pois normalmente dependem de acionamento eletromecânico.

Pirâmide Hierárquica Registradores Memória Cache Memória Principal B Mega Giga Em relação ao custo, é fácil entender que fica muito mais fácil e barato colocarmos outro HD no nosso computador do que alterar todo o projeto da CPU para inserir mais alguns registradores. Memória Auxiliar Tera

Pirâmide Hierárquica Registradores B Em resumo: Custo, Velocidade Memória Cache Mega Memória Principal Giga Memória Auxiliar Tera Tempo de Acesso, Capacidade

Comparativo Em função de características como tempo de acesso, capacidade de armazenamento, custo etc., podemos estabelecer uma hierarquia de dispositivos de armazenamento em computadores. Tipo Capacidade Velocidade Custo Localização Volatilidade Registrador Bytes muito alta muito alto UCP Volátil Memória Cache Kbytes alta alto UCP/placa Volátil Memória Principal Mbytes média médio Placa Volátil Memória Auxiliar Gbytes baixa baixo Externa Não Volátil

Organização

Organização A memória precisa ter uma organização que permita ao computador guardar e recuperar informações quando necessário. Não teria nenhum sentido armazenar informações se não fosse possível recuperar depois. 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. Para melhor descrever a organização de uma Memória Principal, apresentar-se-á alguns conceitos.

Palavra Palavra: é a unidade de informação do sistema CPU/MP que deve representar o valor de um número ou uma instrução de máquina. É comum encontrarmos sistemas com Palavras de 8 bits, 16 bits, 32 bits ou 64 bits.

Endereço, Conteúdo e Posição MP endereço 257A endereço 257B 1F 2C Conteúdo da posição de memória A memória RAM é mapeada como um grande vetor.

Endereço, Conteúdo e Posição MP endereço 257A endereço 257B 1F 2C Conteúdo da posição de memória As posições, ou células, de memória são endereçadas em Hexadecimal, pois em binário ficaria impraticável lermos esses endereços. Exemplo: 257A H -> 10010101111010 B

Endereço, Conteúdo e Posição MP endereço 257A endereço 257B 1F 2C Conteúdo da posição de memória O conteúdo armazenado em uma posição de memória tem a sua grandeza dependente do projeto da memória. Na maioria dos casos a memória é baseada em células de 8 bits (1 Byte: valores entre 00 e FF H ) ou 16 bits.

Unidade de Armazenamento Consiste no número de bits que é identificado e localizado por um endereço. A MP é organizada em unidade de armazenamento, denominadas células. Célula é a menor unidade da memória que pode ser endereçada (não é possível buscar uma "parte" da célula) e tem um tamanho fixo (para cada arquitetura computacional). As memórias são compostas de um determinado número de células ou posições. Cada célula é composta de um determinado número de bits.

Unidade de Armazenamento Cada célula é identificada por um endereço único, pela qual é referenciada pelo sistema e pelos programas. As células são numeradas seqüencialmente, uma a uma, de 0 a (N-1), chamado o endereço da célula. Endereço é o localizador da célula, que permite identificar univocamente uma célula. Assim, cada célula pode ser identificada pelo seu endereço.

Unidade de Armazenamento Uma célula não significa o mesmo que uma palavra; uma célula não necessariamente contém uma palavra. Palavra é a unidade de processamento da CPU. Uma palavra deve representar um dado ou uma instrução, que poderia ser processada, armazenada ou transferida em uma única operação. No entanto, em geral não é assim que acontece e os computadores comerciais não seguem um padrão único para a organização da CPU e MP. Computadores comerciais podem ter o tamanho da palavra definido como de 32 bits ou 64 bits, porém sua estrutura de memória pode ter células de 16 bits.

Unidade de Transferência Unidade de transferência é a quantidade de bits que é transferida da memória em uma única operação de leitura ou transferida para a memória em uma única operação de escrita. O tamanho da célula poderia ser igual ao da palavra, e também à unidade de transferência, porém por razões técnicas e de custo, são freqüentemente diferentes.

Unidade de Transferência Como então é feito? Imagine um sistema com célula de memória de 16 bits e palavra de 32 bits. Solução 1 (simples mas lenta): para ler/escrever uma palavra na memória podemos utilizar dos acessos (de 16 bits). Solução 2 (eficiente): o próprio sistema de memória acessa simultaneamente duas posições de memória para ler/escrever uma palavra.

Organização Básica da MP Endereço 0 Endereço 1 Endereço 2 Endereço N-2 Endereço N-1 M bits M bits M bits N Células bit 0 bit m-1

Considerações sobre a Organização da MP A quantidade de bits que pode ser armazenada em cada célula (valor M da figura anterior) é um requisito definido pelo fabricante. A quantidade de bits do número que representa um determinado endereço, define a quantidade máxima de endereços que uma MP pode ter, bem como o seu espaço de endereçamento.

Barramentos de Comunicação entre UCP e MP UCP MP RDM REM UC Barramento de controle Barramento de endereços Barramento de dados

Capacidade

Capacidade Endereço 0 Endereço 1 Endereço 2 Endereço N-2 Endereço N-1 M bits M bits M bits N Células bit 0 bit m-1

Cálculos com a Capacidade de Memória Uma memória RAM é um conjunto de N células, cada uma armazenando um valor com M bits. Então, a quantidade de endereços contida no espaço endereçável da referida RAM é também igual a N, visto que cada conteúdo de célula está associado um número, que é o seu endereço.

Cálculos com a Capacidade de Memória Como 1 bit representa apenas um entre dois valores (base binária), então podemos concluir que: Pode-se armazenar em cada célula um valor entre 0 e (2 M 1), porém um de cada vez. São 2 M combinações possíveis. Por exemplo, se M = 8 bits, temos 2 8 = 256. Seriam armazenados valores entre: 00000000 (0 10 ou 0 16 ) e 11111111 (255 10 ou FF 16 ).

Cálculos com a Capacidade de Memória A memória tem N endereços: N = 2 E, sendo E = quantidade de bits dos números que representam cada um dos N endereços. Por exemplo, se N=512 (512 células), então, 512 = 2 E, ou E=9, pois 2 9 =512.

Cálculos com a Capacidade de Memória O total de bits que podem ser armazenados na referida memória é T, sendo: T = N x M ou T = 2 E x M Do exemplo anterior temos: N = 512 células, M = 8 bits, E = 9 bits, T = 4096 bits N = 2 E, 512 = 2 9 T = N x M = 2 E x M = 4096 bits = 4K bits

Exemplo 1 Uma memória RAM tem um espaço máximo de endereçamento de 2K. Cada célula pode armazenar 16 bits. Qual o valor total de bits que podem ser armazenados nesta memória e qual o tamanho de cada endereço? Se o espaço máximo endereçável é 2K, então N = 2K 1 célula = 16 bits. Então: M = 16 bits N = 2 E, N = 2K = 2 x 1024 = 2 1.2 10 = 2 11 Se N = 2 E e 2 11, então: 2 E = 2 11 e E = 11 E = quantidade de bits de cada número que expressa um endereçamento, ou seja: os endereços de cada célula são números que têm 11 bits. T = N x M = 2 11 x 16 = 2 15 = 32Kbits

Exemplo 2 Uma memória RAM é fabricada com a possibilidade de armazenar um máximo de 256kbits. Cada célula pode armazenar 8 bits. Qual é o tamanho de cada endereço e qual é o total de células que podem ser utilizadas na RAM? Total de bits = T = 256K = 2 8.2 10 = 2 18 1 célula = 8 bits = M = 2 3 Sendo T = N x M, então: N = T/M = 2 18 /2 3 = 2 15 Se N = 2 E, então: 2 15 = 2 E, E = 15 N = 2 15 = 2 5.2 10 = 32k

Exercícios Qual é a diferença, em termos de endereço, conteúdo e total de bits, entre as seguintes organizações de MP? Memória A 32K células de 8 bits cada; Memória B 16K células de 16 bits cada; Memória C 16K células de 8 bits cada; Considere uma célula de memória cujo endereço é, em hexadecimal, 2C81 e que tem armazenado em seu conteúdo um valor igual a, em hexadecimal, F5A. Pergunta-se: Qual deve ser o tamanho do REM e do RDM nesse sistema? Qual deve ser a máxima quantidade de bits que podem ser implementados nessa memória?

ANEXO Informações Complementares

Organização de Computadores Memória Fernando Morse morse@oi.com.br

Existem 2 tipos de memória RAM: estáticas e dinâmicas e as veremos a seguir: - DRAM (Dynamic Random Access Memory): são as memórias do tipo dinâmico e geralmente são armazenadas em cápsulas CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Memória desse tipo possuem capacidade alta, isto é, podem comportar grandes quantidades de dados. No entanto, o acesso a essas informações costuma ser mais lento que o acesso à memórias estáticas. As memórias do tipo DRAM costumam ter preços bem menores que as memórias do tipo estático. Isso ocorre porque sua estruturação é menos complexa, ou seja, utiliza uma tecnologia mais simples, porém viável.

- SRAM (Static Random Access Memory): são memórias do tipo estático. São muito mais rápidas que as memórias DRAM, porém armazenam menos dados e possuem preço elevado se compararmos o custo por MB. As memória SRAM costumam ser usadas em chips de cache.

Mais sobre a DRAM e SRAM DRAM (ou RAM dinâmica) e SRAM (ou RAM estática). Para que uma memória RAM do tipo SRAM consiga armazenar a informação basta que haja uma corrente elétrica alimentando os chips de SRAM. Já as memórias DRAM também precisam da mesma eletricidade, porém, além disso, as DRAM precisam de um sinal elétrico específico que as faz lembrar da informação que estão armazenando. Este sinal é chamado de sinal de refresh. Como a SRAM não precisa deste sinal, ela é mais rápida que a DRAM.

Mais sobre a DRAM e SRAM Em compensação as DRAM são muito mais baratas e os chips de memória DRAM são bem menores em tamanho. Por serem mais rápidas, as SRAM são normalmente utilizadas em aplicações específicas no microcomputador como a memória cache, tanto a cache L1 como a cache L2. Infelizmente por serem caras e ocuparem um espaço físico muito grande, as SRAM só costumam ser usadas para memória cache. Já as memórias DRAM é que compõe o que chamamos de memória RAM do micro. Ou seja, quando alguém fala que o seu PC possui 128 MB de memória, quer dizer que este micro tem 128 MB de memória composto por chips de memória DRAM.

Algumas definições importantes Chipset É o principal componente da placamãe. Normalmente é composto por dois chips principais: O controlador de memória (chamado também de Northbridge ) e o Controlador de barramento (chamado também de Southbridge ). É o chipset que faz a interface entre o processador o resto dos componentes da placa-mãe.

Algumas definições importantes Controlador de memória ( Northbridge ) É responsável pela comunicação entre Cpu e memória RAM.

Algumas definições importantes Barramento São vias de comunicação entre componentes distintos. O FSB, também chamado de Barramento Frontal, conecta o processador com o controlador de memória. O Barramento de memória conecta o controlador de memória com a memória RAM. Existem outros barramentos no micro, tais como Barramento PCI, AGP, etc.

Velocidade da Memória Quando o processador precisa de uma informação ele envia um pedido ao controlador de memória que por sua vez faz a leitura das informações armazenadas nos bancos de memória e entrega a informação para o processador. Este ciclo completo: CPU/Chipset/RAM/Chipset/CPU é necessário para obtermos as informações da memória. Quanto mais rápido ele acontecer, mais rápido a CPU vai poder processar a informação, melhorando seu desempenho.

A velocidade da memória é indicada pelo tempo que um módulo de memória demora em fornecer uma informação a partir do momento que esta é solicitada pelo controlador de memória, chamado tempo de acesso. O tempo de acesso é normalmente expresso em ns (nanosegundos), pois as memórias RAM são extremamente rápidas. Como hoje as memórias usam uma tecnologia sincronizada a um sinal de clock, também se usa o clock para definir a velocidade da memória RAM.

Assim, um módulo de memória síncrona com tempo de acesso de 10 ns opera com um clock de 100 MHz (1/10ns, pois clock=1/tempo de acesso). É importante lembrar que este clock é específico para o acesso à memória RAM. O processador costuma trabalhar com outro clock, chamado de clock da CPU.

Exemplo de leitura da memória RAM. Neste caso o tempo de acesso dos módulos (70 ns) é apenas uma parte do tempo total de acesso, pois ainda existe o tempo que o controlador de memória perde para fornecer as informações para a CPU (125 ns).

Desempenho do micro e memória Com o passar do tempo o desempenho dos processadores tem crescido de forma alucinante. Porém, quando se fala em memórias, a coisa muda um pouco de figura. Apesar de terem evoluído muito, elas simplesmente não estão conseguindo acompanhar o ritmo dos processadores. Isso é um problema, pois não adianta nada o processador trabalhar rápido se não conseguir acessar os dados de forma rápida também. Ou seja, o desempenho do micro é bastante dependente da velocidade de trabalho das memórias.

Uma das formas de minimizar a perda de desempenho é aumentar a velocidade das memórias. Porém, este abordagem pode ser um pouco demorada, pois já vimos que a tecnologia das memórias não evolui com a mesma velocidade da tecnologia dos processadores. Outra forma, que é usada desde que os processadores começaram a ficar mais rápidos (lá pela época do 80386), é o uso de memória cache.

Memória Cache Memória cache é um tipo de memória de alta velocidade que fica próxima à CPU e consegue acompanhar a velocidade de trabalho da CPU. Por ser uma memória de alta velocidade ela é difícil de ser produzida e por isso mesmo muito cara. Por isso é que raramente encontramos quantidades de memória cache maiores que 1 MB. É bom lembrar que, ao invés da tecnologia DRAM, usa-se a tecnologia SRAM para a produção de chips de memória cache.

A idéia por trás do cache é muito simples: colocar na memória cache os dados e instruções que são mais comumente utilizados pelo processador. É a regra 80/20, ou seja, 20% dos dados/instruções/etc. são usados 80% das vezes no micro. Assim se estes dados/instruções/etc. estiverem no cache, que é muito mais rápido que a memória RAM normal, o desempenho do micro será muito melhor.

O usuário não precisa se preocupar em colocar os dados mais utilizados na memória cache. Existe um circuito especifico que faz isso automaticamente chamado Controlador de cache. Este circuito tenta, inclusive, adivinhar quais serão os dados solicitados pelo processador.

Se o processador precisa de uma informação e ela está no cache, ótimo, a informação é acessada e o desempenho é alto. Quando isso acontece, chamamos de cache hit ("acerto"). Porém se a informação não estiver no cache, ela vai ter que ser lida da memória RAM normal, o que é um processo mais lento. Este caso é chamado de cache miss ("erro"). A idéia é fazer com que o número de cache hits seja muito maior que o número de cache misses.

Níveis de cache De acordo com a proximidade do processador são atribuídos níveis de cache. Assim, a memória cache mais próxima da CPU recebe o nome de cache L1 (do inglês "level 1" ou nível 1). Se houver outro cache mais distante da CPU este receberá o nome de cache L2 e assim por diante.

Na época do 8088 e 80286 era raro encontrar um micro com memória cache. Mas com o surgimento do 80386 começaram a aparecer micros com placas-mãe que possuíam memórias cache. Naquela época quase ninguém usava a nomenclatura de caches por níveis. Falava-se simplesmente memória cache se referindo a memória que estava na placa-mãe..

Com o lançamento do 80486 a Intel incorporou memória cache a seus processadores, dentro do próprio chip. Por sua vez, as placas-mãe também possuíam memória cache. Para diferenciar, e também pela localização do cache, essas memórias cache ficaram conhecidas como: cache interno (que seria o cache L1 dentro da CPU) e cache externo (que ficava na placamãe e deveria se chamar L2).

Exemplo de memórias cache: L1 ( interna ) e L2 ( externa )

Isso valeu até o lançamento do Pentium II quando a Intel incorporou o cache externo (ou melhor, L2) ao cartucho que formava o processador. Atualmente a maior parte dos processadores incorpora a memória cache em seu chip propriamente dito e por isso a nomenclatura cache L1, L2, L3, etc. é mais correta e também mais usada.

Diferentes tecnologias e formatos de módulos de memória Como veremos agora, existem diferentes formatos para os módulos de memória. Além disso, os chips de memória destes módulos também podem possuir tecnologias diferentes. É bastante comum as pessoas confundirem formatos de módulos (DIP, SIMM, DIMM, etc.) com a tecnologia das memórias que os compões (FPM, EDO, SRAM, etc.)

Formatos dos módulos de memória (Encapsulamentos) Os formatos dos módulos de memória são padronizados e estabelecidos por organismos internacionais. A razão para termos módulos de formatos diferentes é simples: à medida que a tecnologia dos chips que compõe o módulo avança é necessário fazer uma atualização da forma do módulo de modo que este possa desempenhar melhor suas funções.

DIP (Dual In Line Package) - esse é um tipo de encapsulamento de memória antigo e que foi utilizado em computadores XT e 286, principalmente como módulos EPROM (que eram soldados na placa). Também foi muito utilizado em dispositivos com circuitos menos sofisticados;

SIPP (Single In Line Pin Package) - esse tipo encapsulamento é uma espécie de evolução do DIP. A principal diferença é que esse tipo de memória possui, na verdade, um conjunto de chips DIP que formavam uma placa de memória (mais conhecida como pente de memória). O padrão SIPP foi aplicado em placas-mãe de processadores 286 e 386;

SIMM (Single In Line Memory Module) - o encapsulamento SIMM é uma evolução do padrão SIPP. Foi o primeiro tipo a usar um slot (um tipo de conector de encaixe) para sua conexão à placa-mãe. Existiram pentes no padrão SIMM com capacidade de armazenamento de 1 MB a 16 MB. Este tipo foi muito usado nas plataformas 386 e 486 (primeiros modelos).

Na verdade, houve dois tipos de padrão SIMM: o SIMM-30 e o SIMM-72. O primeiro é o descrito no parágrafo anterior e usava 30 pinos para sua conexão. O segundo é um pouco mais evoluído, pois usa 72 pinos na conexão e armazena mais dados (já que o pente de memória é maior), variando sua capacidade de 4 MB a 64 MB. O SIMM-72 foi muito utilizado em placas-mãe de processadores 486, Pentium e em equivalentes deste; SIMM-30 SIMM-72

DIMM é a sigla para Dual Inline Memory Module. Diferente dos módulos SIMM onde os contatos dos dois lados do módulo eram iguais, no módulo DIMM este contatos são independentes. Isto exigiu que os soquetes onde os módulos são encaixados na placamãe fossem redesenhados.

Além disso, os módulos DIMM são capazes de transferir 64 bits de cada vez para o processador. Desta forma os bancos de memória são compostos de apenas um módulo DIMM a não ser quando usamos a técnica de Dual-channel que veremos mais adiante.

Atualmente existem 3 formatos de módulos DIMM no mercado: DIMM de 168 vias (84 contatos em cada lado), DIMM de 184 vias (92 contatos em cada lado) e DIMM de 240 vias (120 contatos de cada lado). O DIMM 168 é composto normalmente por memórias com tecnologia SDRAM, o DIMM 184 usa memórias com tecnologia DDR e o DIMM 240 usa memórias com tecnologia DDR2.

DIMM 168 vias DIMM 184 vias DIMM 240 vias

SODIMM O Formato SODIMM é usado em notebooks onde o espaço ocupado por um módulo DIMM seria muito grande. SODIMM vem de Small Outine DIMM, ou seja, um DIMM num formato menor. Temos módulos no formato SODIMM de 72 vias (pinos) que fornecem apenas 32 bits para o processador e dos formatos SODIMM de 144 vias (pinos) e 200 vias (pinos) que fornecem 64 bits para o processador. O formato SODIMM de 72 vias usa memórias com tecnologias mais antigas como FPM e EDO. Já o formato SODIMM de 144 vias também pode ter chips de memória SDRAM e o SODIMM de 200 pinos usam memórias DDR.

RIMM O Formato RIMM é usado somente nos módulos de memória que utilizam os chips com tecnologia Rambus, que veremos mais adiante. RIMM é a sigla de Rambus Inline Memory Module. Cada módulo só é capaz de transferir 16 bits de cada vez, mas o controlador de memória agrupa 4 acessos à memória antes de entregar os dados para a CPU, formando assim os 64 bits necessários. Desta forma os bancos de memória podem ser compostos de apenas 1 módulo

RIMM Uma característica marcante dos módulos RIMM é o fato de eles possuírem um dissipador metálico envolvendo os chips de memória. Isto ocorre porque estes chips trabalham em velocidades de clock muito altas e geram calor. O módulo RIMM possui 184 pinos. Existe uma versão mais compacta batizada de SORIMM (Small Outline RIMM) para ser usada em notebooks.

RIM-184 Vias

Tecnologia das memórias RAM Até agora só falamos dos formatos usados pelos módulos de memória. Mas estes módulos são formados por chips de memória RAM com várias tecnologias diferentes. Desde a antiga tecnologia FPM até a moderna DDR2. Vamos detalhar um pouco mais essas tecnologias usadas em memória RAM, mostrando suas principais características.

FPM Fast Page Mode Quando os módulos de memória começaram a aparecer a tecnologia FPM foi a mais usada. A FPM é uma tecnologia que permite rápido acesso aos dados que estão na mesma linha da memória. Neste momento é bom explicar que um chip de memória RAM é formado por conjunto de matrizes de células de memória. Estas células recebem sinais de endereçamento e controle e fornece ou recebem um dado. Na prática, essas matrizes nada mais são tabelas com linhas e colunas. Assim, simplificando, podemos dizer que um chip de memória é formado por um conjunto de tabelas de linhas e colunas. A figura abaixo exemplifica melhor o que foi dito.

EDO Extended Data Out A tecnologia EDO é uma evolução da tecnologia FPM. Nela a leitura de dados da memória é otimizada, fazendo com que os chips com tecnologia EDO sejam cerca de 10 a 20% mais rápidos que os chips FPM. Chips com tecnologia EDO são achados comumente em módulos SIMM de 72 vias e também em módulos DIMM de 168 vias e SODIMM.

SDRAM Synchronous DRAM As memórias com tecnologias FPM e EDO não são sincronizadas com o processador. Assim, muitas vezes, o processador é obrigado a esperar um tempo até que estas memórias estejam prontas para poderem fornecer um dado. Por outro lado a tecnologia SDRAM permite que as memórias sejam sincronizadas com o processador. Assim o controlador de memória sabe exatamente em que ciclo de clock a informação estará disponível para o processador, evitando que o processador espere os dados.

A maioria dos micros atuais usa memórias DRAM síncronas (SDRAM) ou derivadas desta tecnologia (DDR, etc.). Isto significa que a memória funciona sincronizada pelo sinal de clock. A mudança no sinal é registrada na subida ou descida do sinal de clock. No intervalo entre a subida e a descida do sinal de clock o mesmo permanece num estado imutável ou instável. O uso do clock do sistema com memórias DRAM permite que o sistema trabalhe de maneira bastante rápida, pois este é previsível. O clock da memória tem dois parâmetros básicos:

Memória SDRAM À medida em que a velocidade dos processadores aumenta, é necessário aumentar também o desempenho da memória RAM do computador, mas isso não é tão simples. Um solução foi a criação do cache, um tipo de memória SRAM com capacidade de algumas centenas de KB que funciona como uma espécie de intermediária entre a memória RAM e o processador. Porém, apenas isso não é suficiente.

Memória SDRAM Na busca de uma memória mais rápida, a indústria colocou no mercado a memória SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory), um tipo de memória que permite a leitura ou o armazenamento de dois dados por vez (ao invés de um por vez, como na tecnologia anterior). Além disso, a memória SDRAM opera em freqüências mais altas, variando de 66 MHz a 133 MHz. A memória SDRAM utiliza o encapsulamento DIMM.

As memórias FPM e EDO vêm com códigos que indicam o seu tempo de acesso, medido em nanosegundos. As memórias SDRAM também vêm com estes códigos, mas na verdade eles não indicam o tempo de acesso e sim o tempo de ciclo, melhor dizendo, o clock com o qual a SDRAM trabalha. Encontramos memórias SDRAM de 66 MHz, 100 MHz e 133 MHz. Essas memórias são também conhecidas por PC66, PC100 e PC133 respectivamente. Os chips de memória SDRAM são montados em módulos DIMM de 168 vias.

Direct Rambus (Rambus DRAM) A Direct Rambus é uma tecnologia de DRAM inovadora em relação aos principais projetos de memória convencionais. Quando foi lançada, a Direct Rambus era extraordinariamente rápida se comparada com tecnologias antigas de memória. Ela transfere dados a velocidades de até 800 MHz em um barramento de 16-bits chamado Direct Rambus Channel. Esta alta taxa de transferência é possível devido a uma facilidade chamada "double clocked," que permite que operações ocorram tanto no lado de subida como o de descida do clock. Assim, cada dispositivo de memória em um módulo RDRAM provê uma largura de banda de até 1,6 Gigabytes por segundo, duas vezes a largura de banda das memórias SDRAM de 100 MHz. Porém é uma tecnologia proprietária e cara e por isso seu uso não se difundiu muito.

Direct Rambus (Rambus DRAM) A tecnologia RDRAM continua evoluindo e já temos módulos que transferem 32 bits a 1066 MHz. Mas, por ser uma tecnologia proprietária, é cada vez mais difícil encontrar placas-mãe que suportem este tipo de memória.

DDR-SDRAM Double Data Rate SDRAM A tecnologia DDR-SDRAM é um avanço em relação ao padrão SDRAM simples. As memórias Single Data Rate (as SDRAM) só transferem dados na subida do sinal de clock. As memórias DDR- SDRAM transferem dados na subida E na descida do sinal de clock, dobrando a taxa de transferência de dados (data rate). Assim uma memória DDR- SDRAM operando num clock de 100 MHz (real) consegue desempenho equivalente a 200 Hz (efetivo).

A seguinte tabela mostra os vários termos usados quando classificamos memórias DDR. E essa quantidade de termos é que confunde a maioria dos usuários. Clock é o clock real das memórias. O clock efetivo é o dobro do clock real pois as memórias são DDR. Esses são valores para os chips de memória. Já os módulos são classificados pela taxa de transferência de dados. Como cada módulo tem 8 bytes (64 bits) as taxas variam de 1600 MB/s (200 MHz DDR) a 3200 MB/s (400 MHz DDR). O último termo é o tempo de acesso e está relacionado ao clock real.

Os chips com tecnologia DDR são encontrados em módulos no formato DIMM de 184 vias que são PC1600 (DDR 200), PC2100 (DDR 266), PC2700 (DDR 333) e PC3200 (DDR400)

DDR2 A tecnologia DDR2 é muito recente. O princípio é bastante interessante. Na verdade, é uma aplicação de DDR duas vezes (daí o nome DDR2). Nas memórias SDRAM, 64 bits saem das células de memória e entram em um circuito especial do módulo de memória chamado buffer de Entrada e Saída (E/S). É esse circuito que entrega ou recebe dados que vão para o chipset. Num módulo SDRAM de 100 MHz tanto o clock do chip de memória quanto o clock do buffer de entrada e saída valem 100 MHz. E como os dados são lidos somente na subida do clock, o clock do módulo também é de 100 MHz.

DDR2 Nas memórias DDR que funcionam a 100 MHz de clock real, o clock do chip de memória e do buffer de E/S também é de 100 MHz. O módulo DDR trabalha com um clock de 100 MHz, mas o clock dos dados efetivo de 200 MHz, pois as transferências de dados são fitas na subida e na descida do sinal de clock.

Já nas memórias DDR2 com chips de trabalham a 100 MHz de clock real, o buffer de E/S usa a técnica de DDR para dobrar o clock do módulo para 200 MHz. E o DDR age novamente dobrando os 200 MHz e fazendo com que o clock dos dados efetivo chegue a 400 MHz.

O truque tanto no caso do DDR como no caso do DDR2 fica por conta dos buffers de E/S que têm que ser projetados adequadamente para funcionar nestas frequências. A figura abaixo mostra o esquema de funcionamento das memórias DDR e DDR2. As primeiras memórias DDR2 serão de 400 e 533MHz. Mas logo teremos DDR2 de 667 MHz e 800 MHz. A DDR2 de 533 MHz está sendo chamada de PC2 4200, pois sua taxa de transferência chega a 4200 MB/seg.

O quadro a seguir compara algumas das características das memórias DDR com as novas DDR2:

Ao contrário do que alguns pensam, a memória DDR2 não é compatível com placas-mãe que trabalham com memória DDR. Embora os pentes de memória de ambos os tipos pareçam iguais numa primeira olhada (pois possuem o mesmo tamanho), na verdade, não são. Para começar, o tipo DDR tem 184 terminais e o DDR2 conta com 240 terminais. Além disso, aquela pequena abertura que há entre os terminais está posicionada em um local diferente nos pentes de memória DDR2, como mostra a imagem a seguir.

Frequência de Memória DDR e DDR2 As memórias DDR são comumente encontradas nas frequências de 266 MHz, 333 MHz e 400 MHz. Por sua vez, o padrão DDR2 trabalha com as frequências de 400 MHz, 533 MHz, 667 MHz e 800 MHz (esses eram os tipos existentes até o fechamento deste artigo). Na verdade, tanto no caso da memória DDR quanto no caso da memória DDR2, esses valores correspondem à metade. A explicação para isso é que ambos os tipos podem realizar duas operações por ciclo de clock. Grossamente falando, é como se a velocidade dobrasse.

Nomenclatura Em relação à nomenclatura, as memórias DDR2 seguem praticamente o mesmo padrão das memórias DDR, como mostra a tabela a seguir:

Dual DDR As memórias do tipo Dual DDR funcionam baseadas na seguinte idéia: em vez de utilizar uma única controladora para acessar todos os slots de memória da placa-mãe, por que não usar duas controladoras ao mesmo tempo? Essa é a principal diferença do esquema Dual DDR. As memórias atuais seguem o padrão de 64 bits e são alocadas em bancos. Usando duas controladoras simultaneamente, o acesso passa a ser de 128 bits. Para isso é necessário usar dois pentes de memória idênticos no computador. Essa igualdade deve ocorrer, inclusive com a marca, para evitar instabilidades.

Para entender melhor, imagine que você use dois pentes de 256 MB de memória RAM DDR-333 em seu computador. O computador trabalhará com elas como sendo um conjunto de 512 MB com barramento de 64 bits (ou seja, 2.700 MB por segundo). Essa configuração funcionando no esquema Dual DDR fará com que o barramento passe a ser de 128 bits, aumentando a velocidade para 5.400 MB por segundo!

Para trabalhar com Dual DDR não basta colocar dois pentes de memória idênticos no computador. É necessário que sua placa-mãe tenha esse recurso. Além disso, o esquema Dual DDR só se torna realmente eficiente se utilizado com processadores Intel Pentium IV, AMD Athlon XP ou superiores.

Comparativo da forma de funcionamento das memórias SDRAM, DDR e DDR2.

Outras tecnologias relacionadas à memória RAM Verificação de erros A verificação de erros que podem ocorrer nos chips de memória é uma grande preocupação dos fabricantes. Existem no mercado, basicamente, dois tipos de verificação de erro nos módulos de memória: paridade e ECC. Normalmente as memórias com paridade ou ECC são usadas somente onde a confiabilidade da máquina é imprescindível, tais como servidores de empresas, Workstations para computação cientifica, etc. Não se preocupe se seu micro não possui memórias com verificação de erros, pois a probabilidade de um erro ocorrer num módulo de memória atualmente é quase zero.

Paridade A paridade é um método de verificação de erros de memória que apenas indica que houve um erro. Ela não é capaz de corrigi-lo. Quando se usa paridade em um módulo de memória, um bit extra é armazenado na memória a cada byte (8 bits), ou seja, a célula de memória passa a ter 9 bits ao invés de apenas 8. Existem dois tipos de paridade: paridade par e paridade ímpar. O processo de verificação de paridade pode ser resumido no quadro abaixo:

A paridade tem suas limitações. Ela é capaz de detectar erros nos bits, mas não pode corrigi-los. Além disso, se houver erros em mais de um bit, a paridade poderá falhar no reconhecimento deste erro. Felizmente essa situação de erro é muito rara.

ECC (Error Correction and Control) O ECC é o método de verificação de integridade de dados mais usado atualmente. A grande diferença entre o ECC e a paridade é que com a técnica ECC podemos verificar e corrigir erros de 1 bit. Com uso de memórias com ECC, erros em um só bit são corrigidos de forma automática, sem que o usuário saiba que eles ocorreram. Dependendo da forma de que o controlador de memória for implementado, podemos também detectar os raríssimos erros em mais de um bit. Mas, neste caso, a técnica ECC não vai conseguir corrigi-los.

Usando um algoritmo matemático e trabalhando em conjunto com o controlador de memória, o circuito ECC acrescenta os bits ECC aos dados e os armazena na memória. Quando a CPU lê os dados dos módulos que usam ECC, o controlador de memória lê os bits de ECC e determina se um ou mais bits estão corrompidos. Se apenas um bit estiver errado ele é corrigido e os dados são enviados para a CPU. Se houver mais de um bit errado é gerado um erro.

DMA O termo DMA é um sinônimo para a expressão em inglês Direct memory access. O DMA permite que certos dispositivos de hardware num computador acessem a memória do sistema para leitura e escrita independentemente da CPU. Muitos sistemas utilizam DMA, incluindo controladores de disco, placas gráficas, de rede ou de som.

Uma transferência por DMA essencialmente copia um bloco de memória de um dispositivo para outro. A CPU inicia a transferência, mas não executa a transferência. Para os chamados third party DMA, como é utilizado normalmente nos barramentos ISA, a transferência é realizada pelos controladores DMA que são tipicamente parte do chipset da placa mãe. Projetos mais avançados de barramento, como o PCI, tipicamente utilizam bus-mastering DMA, onde o dispositivo toma o controle do barramento e realiza a transferência de forma independente.

Arquitetura de Computadores DMA (Direct Acess Memory) Acesso direto a memória, canal que liga a memória com os componentes periféricos.

Registradores e Buffers Os Registradores e os Buffers são circuitos eletrônicos especiais que melhoram a confiabilidade das memórias reforçando o nível dos sinais que controlam a operação dos chips de memória. Estes circuitos podem ser encontrados fora (na placamãe) ou dentro do próprio módulo de memória. Quando os Registradores ou Buffers estão presentes no próprio módulo de memória eles permitem que as placas-mãe possam trabalhar com módulos de memória com maior capacidade e também com um número maior de módulos.

HIERARQUIA DE MEMÓRIA A MP não é o único dispositivo de armazenamento de um computador. Em função de características como tempo de acesso, capacidade de armazenamento, custo, etc., podemos estabelecer uma hierarquia de dispositivos de armazenamento em computadores. A UCP vê nesta ordem e acessa primeiro a que está mais próxima. Subindo na hierarquia, quanto mais próximo da UCP, maior velocidade, maior custo, porém menor capacidade de armazenamento.

Organização de Computadores Latência de Memória: è definida como o intervalo de tempo entre a requisição de um item dado pelo processador (à memória) e o respectivo recebimento deste item. LAG: Em computação, lag refere-se ao tempo que um pacote de dados leva a partir de um computador local até ao seu destino e, depois, de volta.

Organização de Computadores

ANEXO Classificação das Memórias

Classificação das Memórias Classificação: RAM x ROM RAM Estática (SRAM) Dinâmica (DRAM) - refresh ROM Programável (PROM) Apagável (erasable) (EPROM) Elétricamente apagável (EEPROM) Flash ROM (Flash RAM) geralmente cache mem. principal

Síncrona SDRAM (wide channel - 64 bits) 8 bytes x 100 MHz = 800 Mbyte/s DDR - SDRAM Double Data Rate Dois acessos a cada ciclo de relógio 8 bytes x 2 x 100 MHz = 1.600 Mbyte/s apesar da rajada ser de oito bytes, ainda aparece velocidade com 4 números RAMBUS (narrow channel - 16 bits) Internamente 128 bits (16 bytes) a 100 MHz Externamente 16 bits a 800 MHz 2 bytes x 800 MHz = 1.600 Mbytes/s 2 canais : 3.200 Mbytes/s 800 = topo de linha normalmente 400 MHz

Física módulos de memória SIMM de 30 vias (386, 486) 8 bits SIMM de 72 vias (Pentium) 32 bits DIMM de 168 vias 64 bits (SDR) DIMM de 184 vias 64 bits (DDR) RIMM de 184 vias 64 bits (RAMBUS) DIMM de 240 vias 64 bits (DDR2) via = pinos do conector usado aos pares ou 4 a 4 aos pares DIMM e RIMM conectores diferentes DDR, DDR2 e DDR3 conectores diferentes

ANEXO Especificação

Especificação de Memória L-D-P-A-R L: CAS Latency (CAS, CL) (2 ou 3-SDRAM; 2, 2,5 ou 3-DDR) Tempo entre a ativação de uma coluna e a disponibilidade do dado D: RAS to CAS Delay (trcd) (2 ou 3) Tempo mínimo entre a ativação da linha e a ativação da coluna P: RAS precharge (trp) (2 ou 3) Tempo de desativação da linha A: Active to Precharge Delay (tras) (3, 4, 5, 6, 7) Número mínimo de ciclos entre a ativação e a desativação da linha R: Command Rate (1 ou 2) Atraso entre a seleção do chip e o comando

Especificação de Memória Exemplo: 2-3-3-7-1T notação alternativa: 2-3-3-7CL 1CMD CAS Latency: 2 ciclos de relógio RAS to CAS Delay: 3 ciclos de relógio RAS Precharge: 3 ciclos de relógio Active to Precharge Delay: 7 ciclos de relógio Command Rate: 1 ciclo de relógio

SDRAM Módulo Chip Clock (MHz) Barramento (MTransf./s) Transferência (MB/s) PC66 15ns 66 66 533 PC66 10ns 100 66 533 PC100 8 ns 100 100 800 PC133 7,5 ns 133 133 1.066 PC133 7 ns 143 133 1.066 transferências de 8 bytes (64 bits)

DDR SDRAM Módulo Chip Clock (MHz) x2 Barramento (MTransf./s) x8 Transferência (MB/s) PC1600 DDR200 100 200 1.600 PC2100 DDR266 133 266 2.133 PC2400 DDR300 150 300 2.400 PC2700 DDR333 166 333 2.667 PC3000 DDR366 183 366 2.933 PC3200 DDR400 200 400 3.200 PC3500 DDR433 216 433 3.466 PC3700 DDR466 233 466 3.733 PC4000 DDR500 250 500 4.000 PC4300 DDR533 266 533 4.266

RDRAM (1 canal - 16bits) Módulo Chip Clock (MHz) x2 Barramento (MT/s) x2 Transferência (MB/s) RIMM1200 PC600 300 600 1.200 RIMM1400 PC700 350 700 1.400 RIMM1600 PC800 400 800 1.600 RIMM2100 PC1066 533 1.066 2.133 RIMM2400 PC1200 600 1.200 2.400

DDR2 SDRAM Módulo Chip Clock (MHz) x2 Barramento (MT/s) x8 Transferência (MB/s) PC2-3200 DDR2-400 200 400 3.200 PC2-4300 DDR2-533 266 533 4.266 PC2-5400 DDR2-667 333 667 5.333 PC2-6400 DDR2-800 400 800 6.400