Arquitetura de computadores Prof. Edivaldo Serafim Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013 IFSP – Campus Capivari

Subsistema de memória 27/03/2013

Memória de computadores Nenhuma tecnologia de memória satisfaz de maneira ótima todos os requisitos de armazenamento de computadores; Por isso existe uma hierarquia de subsistemas de memórias: Algumas internas: Acessadas diretamente pelo processador: Memória RAM, memória cache, registradores; Algumas externas: Acessadas através de operações de I/O: HD, Pen Drive, DVD, etc.; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Características de sistemas de memórias As características mais importantes de memórias são: Localização: Indica se a memória é externa ou interna ao computador; Capacidade: Tamanho em bytes ou palavras; Unidade de transferência: Quantidade de dados transferidos em uma operação; Método de acesso: Forma de acessar um endereço de memória; Sequencial, direto, aleatório ou associativo; Desempenho: Tempo de acesso e tempo de ciclo; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 Tempo de acesso = Tempo de disponibilização do dado no barramento de dados depois de informado o endereço no barramento de endereços. Tempo de ciclo = Tempo de um acesso mais o tempo de um novo acesso, ou seja, depois de disponibilizado o dado no barramento de dados, o tempo gasto para limpar o barramento de dados e colocar novos dados de um novo acesso.

Características de sistemas de memórias Continuação... Taxa de transferência: Quantidade de bits por segundo que são transferidos do processador para a memória e vice-versa; Tecnologia de fabricação: Forma e material que as memórias são fabricadas: Semicondutor, magnética, óticas; Características físicas: Determina a vivacidade dos dados armazenados: Volátil ou não volátil; Organização Forma como os bits são organizados na memória. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Hierarquia de memória Podemos resumir as restrições do projeto de memórias em três questões conflitantes: Capacidade: Programadores buscam uma memória infinita, ou seja, quanto maior melhor; Isso não ocorre na prática, mas é o que se deseja; Velocidade: Memórias devem ser compatível com a velocidade do processador para que este não fique ocioso quando depender de um acesso à memória; Como isso não ocorre na prática, outros meios de compensação são utilizados para resolver a discrepância de velocidade entre memória e processador, como o uso de memória cache; Custo: O custo deve ser compatível com o padrão de mercado para que o projeto seja viável. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória X Processador *Hennessy & Patterson Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 *Hennessy & Patterson

Hierarquia de memória O processador enxerga a memória do computador como uma única área de armazenamento, ou seja apenas um sistema de memória; Na verdade existem vários níveis de memória em um computador; Isso ocorre por conta das velocidades, do custo, tecnologia e local físico das memórias; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Visão do processador para a memória CPU Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 Bus Memória

Como a memória é estruturada na realidade Interior CPU Registradores Cache Memórias ROM* RAM HD, Discos óticos (CD, DVD), Fitas magnéticas, etc.. Distância da CPU e aumento no tempo de acesso Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 * Apenas velocidade

Como a memória é estruturada na realidade Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 *Hennessy & Patterson

Armazenamento em massa (HD) ULA – UC – UD – BF Memória RAM Cache L1 Cache L2 Cache L3 Registradores Armazenamento em massa (HD) Interior da CPU Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Considerações sobre a hierarquia Quanto mais alto o nível na hierarquia: Mais rápida é a memória: Tempo de acesso menor; Frequência de acesso é maior; Menor a capacidade de armazenamento: Menos densa ou seja, menos bits por milímetro quadrado; Maior o tamanho físico da memória: Maior espaço físico para armazenar um bit; Uso de transistores (que são componentes grandes) para armazenar bits; Maior o custo: Transistores são mais caros que capacitores. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Considerações sobre a hierarquia Quanto mais baixo o nível na hierarquia: Mais lenta é a memória: Tempo de acesso maior; Frequência de acesso é menor; Maior a capacidade de armazenamento: Mais densa é a memória, ou seja, mais bits por milímetro quadrado; Menor o tamanho físico da memória: Menor espaço físico para armazenar um bit; Uso de capacitores (que são componentes pequenos) para armazenar bits; Menor o custo: Capacitores são mais baratos que transistores. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória volátil e não volátil Em relação a permanência dos dados na memória, podemos classificar as memórias em: Memória volátil: Os dados se perdem com a ausência de alimentação elétrica; Feita de capacitores ou transistores; Armazena dados temporariamente. Memória não volátil: Os dados são permanentes mesmo sem alimentação elétrica; Feita de capacitores (memória flash), discos magnéticos, fitas magnéticas, discos óticos; Armazena dados permanentemente. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória volátil de acesso aleatório Uma das características do sistema de memória é o método de acesso; É a forma como são endereçados as posições de memória para armazenar e ler dados e instruções; Em memórias de acesso aleatório os endereços de memória possuem um indicador único e podem ser acessados diretamente, bastando ser apontado seu endereço; Os endereços são implementados em hardware. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Tecnologia de memórias Memórias de semicondutor podem ser estáticas ou dinâmicas: Memórias estáticas – SRAM: Confeccionadas com transistores (geralmente 6 por bit); Enquanto houver fornecimento de energia, seu estado permanece inalterado; Não necessitam de refrescamento (Refresh); Usada em registradores e memórias cache; São maiores fisicamente, menos densas e mais caras, porém mais rápidas. Memórias dinâmicas – DRAM: Confeccionadas com capacitores; Perdem o conteúdo rapidamente, necessitando periodicamente de realimentação (refrescamento ou Refresh); Usada para memória principal ; São maiores fisicamente, mais densas e mais baratas, porém mais lentas. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Tecnologia de memórias SRAM DRAM Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória somente leitura São memórias que são gravadas e os dados são permanentes, não podendo ser alterados ou regravados; Suas aplicações são diversas, predominando o uso em firmwares; Os dados são gravados no processo de fabricação; Possuem basicamente dois tipos: ROM (ou Máscara de ROM): Gravada em fábrica; Nunca pode ser alterado seu dado; PROM: Gravado pelo usuário, apenas uma vez; Após gravado, não pode ser alterado seu dado. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória somente leitura Exemplos de memórias ROM e PROM: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Indicada para dados que não são alterados com frequência, mas devem ser não voláteis; São comercializadas em estado virgem e gravadas pelos usuários em laboratório; Podem ser: EPROM; Memória programável e apagável em um processo ótico ultravioleta; EEPROM; Memória programável e apagável em um processo elétrico; Flash; Pode ser regravada mais rapidamente que a EEPROM convencional; Pode ser regravada mais vezes que a EEPROM convencional. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Máquina de programar PROM: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Exemplo de EPROM: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Exemplo de EPROM: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Exemplos de EPROM: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória principalmente de leitura Máquina de EEPROM Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Organização de memórias Entende-se por organização de memória a forma como os bits são dispostos na memória para representar uma informação; O elemento básico de uma memória de semicondutor é a célula de memória; As propriedades dessas células são: Possuem dois estados para representar valores binários 0 ou 1; Um valor pode ser escrito em uma célula de memória; Seu estado pode ser lido. As células possuem geralmente 3 terminais: Um terminal de seleção, para selecionar uma determinada célula; Um terminal de controle, que indica se a operação é leitura ou gravação; Um terminal para ler o estado da célula ou gravar um bit nela. As células podem ser selecionadas individualmente para leitura ou escrita por meio de linhas e colunas; As células podem ter um bit apenas ou k-1 bits; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Operação de uma célula Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Tecnologia de memórias Seleção de uma célula de memória: Seleção através de linhas e colunas. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Confiabilidade em memória Erros de memória podem ocorrer de várias formas, alterando assim o estado do bit; podemos ter os seguintes erros de memória: Soft errors ou erros dinâmicos: Detectados e corrigidos por error correcting codes (ECC) Hard errors ou erros dinâmicos que danificam permanentemente uma ou mais células de memória Usa linhas reservas para substituir as linhas defeituosas Chipkill: uma técnica de recuperação de erro do tipo RAID, onde um chip danificado (killed) é substituído pelo uso de chips redundantes que constam do sistema. Erros gerados por raios cósmicos: A memória é suscetível a raios cósmicos, podendo destruir uma célula de memória. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

MEMÓRIA CACHE Memória Principal Memória Cache CPU Processadores evoluíram em velocidade muito mais do que as memórias RAM; Para equiparar a velocidade de acesso das memórias RAMs com as memórias de alto desempenho (registradores) faz-se uso de memórias cache; Consistem em uma memória intermediária entre a CPU e a memória RAM; Podem ter vários níveis (L1, L2 e L3) que podem ser unificados ou separados; Uma para dados e instruções ou uma para dados e outra para instruções. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 CPU Memória Cache Memória Principal Transferência de palavras de blocos

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Memória cache do Intel Core i Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Memória cache do Intel Core i Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

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MEMÓRIA CACHE Memória cache é sempre menos densa que a memória principal; O conteúdo da memória cache é uma cópia de partes da memória principal; Parte das informações que existem na memória principal pode estar em um determinado momento no cache, ou seja, uma cópia dos dados; Quando essa cópia é transferida para a memória cache, transfere-se um bloco de palavras; Quando o processador acha um dado na cache, ocorre um HIT; Quando não acha ocorre um MISS. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Funcionamento da Cache Em um processo de leitura na memória: Quando o processador necessita de um dado ou instrução irá procurar inicialmente na memória cache; Se encontrar (HIT), utiliza esse dado para o processamento; Se não encontrar (MISS), irá solicitar ao controlador de memória que busque-o na memória principal; O controlador irá pegar o dado ou instrução e irá colocar na memória cache, levando junto os dados em endereços vizinhos mais próximos; O processador utilizará esse dado ou instrução. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Funcionamento da Cache Em um processo de leitura na memória: CPU Memória Cache Memória Principal Transferência de palavras de blocos IR = 1894 PC = 1024 End. Cont. 1020 – 1596 1021 – 4597 1022 – 5598 1023 – 2795 1024 – 1894 1025 – 2895 1026 – 5896 1027 – 2896 1028 – 3729 Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 PC 1024 está na Cache? SIM! O conteúdo de 1024 é lido e gravado no IR

Funcionamento da Cache Em um processo de leitura na memória: CPU Memória Cache Memória Principal Transferência de palavras de blocos IR = 3729 PC = 729 End. Cont. 1020 – 1596 1021 – 4597 1022 – 5598 1023 – 2795 1024 – 1894 1025 – 2895 1026 – 5896 1027 – 2896 1028 – 3729 End. Cont. 729 – 5687 730 – 5688 731 – 2689 732 – 1690 733 – 2691 734 – 5692 735 – 2693 796 – 3694 797 – 4695 End. Cont. ... 729 – 5687 730 – 5688 731 – 2689 732 – 1690 733 – 2691 734 – 5692 735 – 2693 796 – 3694 797 – 4695 PC 729 está na Cache? Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 NÃO! É solicitado ao controlador para buscar na memória o endereço 729 Cópia Agora no cache, 729 será lido e verificado a instrução neste endereço de memória.

Organização de cache A memória cache pode ser organizada de duas maneiras: Interposta Os dados sempre passarão antes na memória cache para depois ir para a CPU; Direta Os dados que não estão na cache vão diretamente a CPU, mas uma cópia ficará no cache. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Organização de cache interposta CPU Endereço Endereço Memória cache Armazenamento temporário de endereços Controle Controle Barramento do sistema Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 Dados Armazenamento temporário de dados

Organização de cache modernas Endereço CPU Armazenamento temporário de endereços Memória cache Controle Controle Barramento do sistema Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 Armazenamento temporário de dados Dados

Estrutura da memória cache Em comparação com a memória principal, a memória cache posui: Numero de linha: Indica a linha que conterá um bloco; Rótulo: Indica o bloco de memória principal; Bloco: Contém as cópias dos dados e instruções da memória principal em alguns endereços. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Estrutura da memória cache Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Localidades de cache O principio da localidade garante a eficiência da hierarquia de memória: Localidade temporal: referência repetida à mesma localidade: Implementação de repetições (loops), sub-rotinas; Localidade espacial: referência a endereços próximos: Programas sequenciais, implementação de matrizes, vetores; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Elementos do projeto de cache Os elementos de projeto de memórias cache pode ser: Tamanho; Função de mapeamento; Algoritmo de substituição; Política de escrita; Tamanho da linha; Número de memórias cache. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013