Relógios O tempo do computador geralmente é medido em ciclos, também denominados pulsos. O termo ciclo se refere a uma oscilação completa de um sinal elétrico fornecido pelo gerador de relógio do sistema. O gerador de relógio determina a frequência com a qual os barramentos transferem dados, comumente medida em ciclos por segundo, ou hertz (Hz). Por exemplo, o barramento frontal (Frontside Bus - FSB) que conecta processadores a módulos de memória funciona caracteristicamente a várias centenas de megahertz (MHz; um megahertz é igual a um milhão de hertz).
Relógios Grande parte dos processadores de computadores de mesa modernos executa a velocidades máximas de centenas de megahertz (MHz) ou até mesmo a vários bilhões de hertz ou gigahertz (GHz), o que muitas vezes é mais rápido do que o barramento frontal. Processadores e outros dispositivos geram velocidades derivadas multiplicando ou dividindo a velocidade do barramento frontal. Por exemplo, um processador de 2 GHz com um barramento frontal de 200 MHz usa um multiplicador de 10 para gerar seus ciclos; uma placa de som de 66 MHz usa um divisor de 2,5 para gerar seus ciclos.
Exercícios: 1. (V/F) Todos os componentes de um sistema funcionam na mesma velocidade de relógio. 2. Quais problemas podem surgir se um componente em um barramento tiver um multiplicador extremamente alto e um outro componente no mesmo barramento tiver um divisor extremamente alto?
Respostas: 1. Falso. Dispositivos normalmente usam um multiplicador ou um divisor que define sua velocidade em relação à velocidade do barramento frontal. 2. Podem ocorrer engarrafamentos, porque um componente com um divisor alto funcionará a uma velocidade muito mais lenta do que um dispositivo com multiplicador alto. Um dispositivo de multiplicador alto que depende de informações de um dispositivo de divisor alto será obrigado a esperar.
Hierarquia de memória O tamanho e a velocidade da memória são limitados pelas leis da física e da economia. Quase todos os dispositivos eletrônicos transferem dados usando elétrons que passam por pistas de PCBs. Há um limite para a velocidade com que os elétrons podem viajar; quanto mais comprido o fio entre dois terminais, mais tempo demorará a transferência. Além disso, é proibitivamente caro equipar processadores com grandes quantidades de memória que possam atender às requisições de dados à mesma (ou próxima) velocidade do processador. O compromisso custo/desempenho caracteriza a hierarquia da memória.
Hierarquia de memória
Hierarquia de memória A memória mais veloz e mais cara está no topo e caracteristicamente tem pequena capacidade. A memória mais lenta e menos cara está na base e comumente tem grande capacidade. Note que o tamanho de cada bloco representa o modo como a capacidade aumenta para memórias mais lentas, mas a figura não está desenhada em escala.
Hierarquia de memória Registradores compõem a memória mais veloz e mais cara de um sistema - operam à mesma velocidade dos processadores. Velocidades de memórias cache são medidas conforme sua latência(o tempo requerido para transferir dados). Latências são medidas em nanossegundos ou ciclos de processador. Por exemplo, o cache L1 de um processador Intel Pentium 4 opera com uma latência de dois ciclos de processador. Seu cache L2 opera com uma latência de aproximadamente 10 ciclos.
Hierarquia de memória Em muitos dos processadores atuais, os caches L1 e L2 são integrados ao processador para que possam explorar as interconexões de alta velocidade do processador. Caches L1 costumam armazenar dezenas de kilobytes de dados, enquanto caches L2 comumente armazenam centenas de kilobytes ou vários megabytes. Processadores avançados podem conter um terceiro nível de cache de processador (denominado cache L3) que é mais lento do que o L2, porém mais rápido do que a memória principal.
Hierarquia de memória Em seguida na hierarquia vem a memória principal - também chamada de memória real ou memória física. A memória principal introduz latência adicional, porque os dados têm de passar através do barramento frontal que normalmente opera a uma fração das velocidades do processador. A memória principal nas arquiteturas de hoje exibem latências de dezenas ou centenas de ciclos de processador. Os tamanhos das memórias principais de uso geral atuais vão de centenas de megabytes (PCs) a dezenas ou centenas de gigabytes (servidores avançados). Registradores, caches e memórias principais são, tipicamente, meios voláteis, portanto seus dados desaparecem quando o fornecimento de energia elétrica é interrompido.
Hierarquia de memória O disco rígido e outros dispositivos de armazenamento como CDs, DVDs e fitas estão entre as menos dispendiosas e mais lentas unidades de armazenamento de um sistema de computador. As latências do armazenamento em disco são normalmente medidas em milissegundos, em geral um milhão de vezes mais lentas do que as latências do cache do processador. Em vez de permitir que o processador fique ocioso enquanto espera dados do armazenamento secundário, o sistema operacional normalmente executa um outro processo para melhorar a utilização do processador.
Hierarquia de memória Uma vantagem primordial dos dispositivos de armazenamento secundário é que eles têm grande capacidade, muitas vezes centenas de gigabytes. Uma outra vantagem do armazenamento secundário é que os dados são guardados em um meio persistente, portanto são preservados quando se retira a fonte de energia do dispositivo.
Exercícios: 1. Qual a diferença entre meios de armazenamento voláteis e persistentes? 2. Por que a hierarquia da memória adota um formato piramidal?
Respostas: 1. Meios voláteis perdem seus dados quando o computador é desligado, enquanto meios persistentes os retêm. Em geral, armazenamento volátil é mais rápido e mais caro do que o armazenamento persistente. 2. Se um meio de armazenamento for menos dispendioso, os usuários poderão comprar em maior quantidade; assim, o espaço de armazenamento aumenta.
Memória Principal Memória principal consiste em memória volátil de acesso aleatório (Random Access Memory - RAM). Aleatório no sentido de que os processos podem acessar localizações de dados em qualquer ordem. Ao contrário, as localizações de dados em um meio de armazenamento sequencial (por exemplo, fita) devem ser lidas em sequência. Diferentemente de fitas e discos rígidos, as latências da memória para cada endereço da memória principal são essencialmente iguais.
Memória Principal A forma mais comum de RAM é a RAM dinâmica (DRAM), que requer que um circuito de renovação leia periodicamente (algumas vezes a cada milissegundo) o conteúdo, ou os dados serão perdidos. Isso não acontece com a RAM estática (SRAM) que não precisa ser renovada para manter os dados que armazena. A SRAM, comumente empregada em caches de processador, é tipicamente mais rápida e mais cara do que a DRAM.
Memória Principal Um objetivo importante dos fabricantes de DRAMs é reduzir a diferença entre a velocidade do processador e a velocidade de transferência da memória. Módulos de memória são projetados para minimizar a latência do acesso a dados dentro do módulo e maximizar o número de vezes por segundo que os dados são transferidos. Essas técnicas reduzem a latência geral e aumentam a largura de banda - a quantidade de dados que pode ser transferida por unidade de tempo. À medida que os fabricantes desenvolvem novas tecnologias de memória, a velocidade e a capacidade da memória tendem a aumentar, e o custo por unidade de armazenamento tende a diminuir.
Exercícios: 1. Compare memória principal e disco em termos de tempo de acesso, capacidade e volatilidade. 2. Por que a memória principal é denominada memória de acesso aleatório?
Respostas: 1. Os tempos de acesso para a memória principal são muito menores do que os tempos para um disco. Esses têm, tipicamente, capacidade maior do que a memória principal, porque o custo por unidade de armazenamento em disco é menor do que o da memória principal. A memória principal é volátil, ao passo que discos armazenam dados persistentemente. 2. Processos podem acessar as localizações da memória principal em qualquer ordem e aproximadamente à mesma velocidade, independentemente da localização.
Armazenamento secundário Devido à sua capacidade limitada e volatilidade, a memória principal é inadequada para armazenar grandes quantidades de dados ou dados que devem persistir após a interrupção da energia elétrica. Para armazenar permanentemente grandes quantidades de dados, como arquivos de dados e softwares de aplicação, o computador usa armazenamento secundário (também denominado armazenamento persistente ou auxiliar), que mantém seus dados depois de o computador ser desligado. A maioria dos computadores usa discos rígidos para armazenamento secundário.
Armazenamento secundário Embora as unidades de disco rígido armazenem mais e custem menos do que a RAM, elas não são práticas como o armazenamento de memória primária, porque o acesso a esse tipo de disco é muito mais lento do que o acesso à memória principal. Acessar dados armazenados em discos rígidos requer movimento mecânico do cabeçote de leitura/gravação, latência rotacional enquanto os dados giram até o cabeçote, e tempo de transferência enquanto os dados passam pelo cabeçote. Esse movimento mecânico é muito mais lento do que a velocidade dos sinais elétricos entre a memória principal e um processador. Além disso, os dados devem ser carregados do disco para a memória principal antes que possam ser acessados por um processador.
Armazenamento secundário Alguns dispositivos de armazenamento secundário gravam dados em meios de menor capacidade que podem ser removidos do computador, o que facilita a cópia de segurança dos dados (backup) e a transferência de dados entre computadores. Entretanto, esse tipo de armazenamento secundário exibe uma latência mais alta do que outros dispositivos como discos rígidos. Um dispositivo popular de armazenamento é o disco compacto (Compact Disc CD), que pode armazenar até 700 MB em cada lado. Os dados em CD são codificados sob forma digital e 'queimados' no CD como uma série de depressões sobre uma superfície até então lisa, que representa 'uns' e 'zeros'.
Armazenamento secundário Dados gravados em um disco CD-RW (CD regravável) são armazenados em material metálico dentro do disco plástico. A luz do laser modifica as propriedades refletivas do meio de gravação criando dois estados que representam 'um' e 'zero'. CD-Rs e CD-ROMs consistem em uma tintura entre camadas de plástico que não pode ser alterada uma vez queimada pelo laser.
Armazenamento secundário Recentemente a tecnologia do DVD (também denominado videodisco digital), que se destinava originalmente a gravar filmes, passou a ser um meio de armazenamento de dados de preço razoável. DVDs são do mesmo tamanho de CDs, mas armazenam dados em trilhas mais finas em até duas camadas por lado e podem armazenar até 5,6 GB de dados por camada.
Exercícios: 1. Por que acessar dados armazenados em disco é mais lento do que acessar dados na memória principal? 2. Compare CDs e DVDs mostrando suas diferenças.
Respostas: 1. A memória principal pode ser acessada por sinais elétricos somente, mas discos requerem movimentos mecânicos para mover o cabeçote de leitura/gravação, latência rotacional enquanto o disco gira para posicionar os dados sob o cabeçote e tempo de transferência enquanto eles passam pelo cabeçote. 2. CDs e DVDs têm o mesmo tamanho e são acessados por luz de laser, mas DVDs armazenam dados em camadas múltiplas usando trilhas mais finas e, por isso, possui maior capacidade.