ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES I

AULA 10: MEMÓRIA E HIERARQUIA DE

MEMÓRIAS

Prof. Max Santana Rolemberg Farias max.santana@univasf.edu.br

Colegiado de Engenharia de Computação

MEMÓRIA SÃO TODOS OS DISPOSITIVOS QUE PERMITEM GUARDAR DADOS

• O sistema de memória de um computador, pode ser mais facilmente compreendido por meio de sua características. – Localização

– Capacidade

– Unidade de transferência

– Método de acesso

– Desempenho

– Tecnologia

– Características físicas

– Organização

SISTEMA DE MEMÓRIA

• Memória no processador

• Memória interna

• Memória externa

SISTEMA DE MEMÓRIA: LOCALIZAÇÃO

• Palavra

– Expressa em função de bytes.

– Tamanho da palavra

– Número de palavras

– Na memória interna é expressa em byte ou palavras. Na memória externa é expressa em byte.

SISTEMA DE MEMÓRIA: CAPACIDADE

• Palavra ou Bloco

– Na memória interna, a unidade de transferência de dados é o número de bits que podem ser lidos ou escritos de cada vez.

– Na memória externa, os dados geralmente são transferidos em grande quantidades chamadas de blocos.

SISTEMA DE MEMÓRIA: UNIDADE DE TRANSFERÊNCIA

• Sequencial

• Direto

• Aleatório

• Associativo

SISTEMA DE MEMÓRIA: MÉTODO DE ACESSO

• Tempo de acesso

• Tempo de ciclo

• Taxa de transferência

SISTEMA DE MEMÓRIA: DESEMPENHO

• Semicondutores

• Magnética

• Óptica

• Magneto-óptica

SISTEMA DE MEMÓRIA: TECNOLOGIA

• Volátil/Não volátil

• Apagável/Não apagável

SISTEMA DE MEMÓRIA: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

• É um aspecto fundamental do projeto de memórias de acesso aleatório. É o arranjo físico dos bits para formar palavras.

SISTEMA DE MEMÓRIA: ORGANIZAÇÃO

COMO É O SISTEMA HIERÁRQUICO DE MEMÓRIA DE UM COMPUTADOR?

SISTEMA HIERÁRQUICO DE MEMÓRIA DE UM COMPUTADOR

Registradores

Memória Principal

CPU

Memória Secundária

Barramento

Barramento de memória Barramento de E/S

• As restrições de projeto de uma memória podem ser resumidas em três questões: – Capacidade – Velocidade – Custo

• Uma variedade de tecnologias é utilizada para implementação de sistemas de memória. Para essas tecnologias valem as seguintes relações: – Tempo de acesso mais rápido, custo de bit maior – Capacidade maior, custo por bit menor – Capacidade maior, tempo de acesso maior

HIERARQUIA DE MEMÓRIAS

HIERARQUIA DE MEMÓRIAS

• Se o dado está presente no nível superior (mais perto da CPU) – Hit

– Hit ratio: #hits/#acessos

• Se o dado está ausente – Miss (bloco copiado do

nível inferior) • Tempo de acesso (miss

penalty)

• Miss ratio: misses/acessos

• Miss ratio = 1 – hit ratio

CPU

• À medida que descemos em uma hierarquia de memórias, temos as seguintes relações:

– O custo por bit diminui

– A capacidade aumenta

– O tempo de acesso aumenta

– A frequência de acesso à memória pelo processador dimunui

HIERARQUIA DE MEMÓRIAS

MEMÓRIA PRINCIPAL

TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS

RAM

• Possibilita que novos dados sejam lidos e escritos rapidamente;

• É volátil;

• Dinâmica – Formada de capacitores (refresh

constante)

• Estática – Composta por flip-flops;

– Menos densa que a dimâmica

ROM

• Possui uma vantagem que os programas ficam permanente armazenados;

• Possui dois problemas: – A etapa de gravação de dados

tem um custo fixo relativamente alto;

– Não podem ocorrer erros, se algum bit estiver errado, todo o lote da memória será inutilizado.

TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS

Leitura e Escrita

• RAM – Random Access Memory

• SRAM – Static RAM

• DRAM – Dynamic RAM

• VRAM – Video RAM

Leitura • ROM

– Read Only Memory

• PROM – Programmable ROM

• EPROM – Erasable PROM

• EEPROM – Electrically Erasable PROM (apaga byte a

byte)

• Flash EPROM – Fast Erasable EPROM (apaga por bloco)

TIPOS DE MEMÓRIAS PRINCIPAIS

Tipo de Memória

Categoria Apagamento Escrita Volatilidade

RAM Leitura/Escrita Elétrico (byte a byte)

Elétrica Volátil

ROM Apenas leitura Impossível Máscara Não volátil

PROM Apenas leitura Impossível Elétrica Não volátil

EPROM Principalmente leitura Ultravioleta Elétrica Não volátil

EEPROM Principalmente leitura Elétrico (byte a byte)

Elétrica Não volátil

Flash EPROM Principalmente leitura Elétrico por bloco Elétrica Não volátil

• É o principal tipo de memória principal.

• As memórias RAM tem as seguintes características:

– Possibilidade que novos dados sejam lidos e escritos rapidamente e de modo fácil;

– É volátil;

– Dinâmica (formada de capacitores);

– Estática (composta por flip-flops)

MEMÓRIA PRINCIPAL: RAM

MEMÓRIA RAM: DINÂMICA vs ESTÁTICA

DRAM

• Grande capacidade de integração (baixo custo por bit)

• Perda de informação após algum tempo. – Necessidade de refreshing

SRAM

• Pequeno tempo de acesso

• Não existe necessidade de refreshing

• Alto custo por bit (baixa integração)

MEMÓRIA RAM: TECNOLOGIA PARA MEMÓRIA

Tipo Tempo de acesso Custo

SRAM 0,5 ns à 2,5 ns $ 2000,00 à $ 5000,00 por GB

DRAM 50 ns à 70 ns $ 20,00 à $ 75,00 por GB

HD 5 ms à 20 ms $ 0,20 à $ 2,00 por GB

• Contém um padrão permanente de dados que não pode ser alterado.

– É possível apenas ler os dados armazenados.

– Possui uma vantagem que os programas ficam permanentemente armazenados.

– Possui dois problemas: • A etapa de gravação de dados tem um custo fixo relativamente alto, que

não depende do número de cópias

• Não podem ocorrer erros: se algum bit estiver errado, todo o lote da memória será inutilizado.

MEMÓRIA PRINCIPAL: ROM

• Uma alternativa mais barata de memória ROM.

• Características:

– Não volátil

– Gravação pode ser feita pelo cliente

– Mais vantajoso no caso de produção em larga escala

MEMÓRIA ROM: PROM

• Há três formas comuns de memória principal de leitura:

– EPROM • Pode ser apagada por um processo óptico (todas as células de memória

são apagados).

– EEPROM • Os dados podem ser gravados sem necessidade de apagar todo seu

conteúdo anterior.

– Memória flash • Introduzida em meados dos anos 80, esse tipo de memória apaga e lê

dados rapidamente.

MEMÓRIA ROM: PRINCIPALMENTE DE LEITURA

“640K OUGHT TO BE ENOUGH FOR ANYBODY.” BILL GATES (1981)

COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE CPU VS MEMÓRIA PRINCIPAL

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Válvula Transistor Circuito integrado

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MEMÓRIA CACHE

• O uso da memória cache, visa obter uma velocidade de acesso.

– Nível de memória mais próximo da CPU

MEMÓRIA CACHE

• A memória cache é constituída por várias linhas de palavras, sendo o número de linhas consideravelmente menor do que o número de blocos da memória principal.

• Ao ler um bloco da memória, ele é transferido para uma das linhas da cache, assim não é possível que uma linha armazene um mesmo bloco permanentemente, por isso a linha da cache inclui um rotulo (que identifica qual é o bloco de memória).

– Este rótulo é geralmente uma parte do endereço de memória.

MEMÓRIA CACHE

MEMÓRIA CACHE

MEMÓRIA CACHE

• As linhas de dados e de endereços são também conectadas a áreas de armazenamento temporário de dados e de endereços, que se conectam ao barramento do sistema, por meio do qual é feiro o acesso à memória principal.

MEMÓRIAS CACHE MODERNAS