Arquitetura e Organização de Computadores

UNIVERSIDADE
FEDERAL
DOSEMI-ÁRIDO
SEMI-ÁRIDO
UNIVERSIDADE
FEDERALRURAL
RURAL DO
DEPARTAMENTO
DE DE
CIÊNCIAS
NATURAIS
DEPARTAMENTO
CIÊNCIASEXATAS
EXATAS E E
NATURAIS
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
Arquitetura e Organização de
Computadores
3- Sistemas de Memória Interna
Parte I
Prof. Sílvio Fernandes
Hierarquia de Memória

“Em termos ideais, desejaríamos dispor de uma
capacidade de memória infinitamente grande e que
pudesse disponibilizar imediatamente o conteúdo de
qualquer das suas palavras... Somos forçados a
reconhecer a possibilidade de construir um sistema de
memória estruturado hierarquicamente, no qual cada
um dos componentes da hierarquia tenha mais
capacidade de armazenamento e um tempo de acesso
maior do que aqueles que o precedem.”
A. W. Burks, H. H. Goldstine e J. Von Neumann
Preliminary Discussion of the Logical Design of na Electronic
Computing Instrument, 1946
2
Hierarquia de Memória


Programadores
vêm
exigindo
capacidades
ilimitadas de memória, de acesso quase que
instantâneo
A hierarquia de memória ajuda a criar essa ilusão
3
Hierarquia de Memória

Analogia:







Estudante que deseja escrever um artigo sobre os importantes
desenvolvimentos no hardware dos processadores ao longo do tempo
Selecionou um conjunto de livros da biblioteca e pôs sobre a mesa para
pesquisar
Os livros têm as descrições de várias máquinas, exceto EDSAC
Então, ele volta às estantes em busca de um livro adicional
Caso tenha selecionado bem os livros que se encontram sobre a mesa,
existe uma grande possibilidade de encontrar neles a maioria dos
tópicos de que precisa
O fato de ter vários livros à frente faz com que o tempo de escrita do
artigo seja menor
Não foi preciso acessar todos os livros da biblioteca de uma vez, com
igual prioridade
4
Hierarquia de Memória

Os programas operam usando essa ideia, chamada de
princípio da localidade


Localidade temporal


Os programas acessam uma parte relativamente pequena do
seu espaço de endereçamento em um instante qualquer
Se um item é referenciado, ele tende a ser referenciado
novamente dentro de um espaço de tempo curto
Localidade espacial

Se um item é referenciado, itens cujos endereços sejam
próximos dele tendem a ser logo referenciados
5
Hierarquia de Memória

Tiramos proveito do princípio da localidade
implementando a memória de um computador
como uma hierarquia de memória

Prevê a existência de vários níveis de memória, cada um
com tamanhos e velocidades diverentes
6
Organização da Memória
Capacidade
• Tempo de acesso
•
Custo por bit
• Frequência de acesso
pelo processador
•
7
Organização da Memória

Dilema




Tempo de acesso mais rápido, maior custo por bit
Maior capacidade, menor custo por bit
Maior capacidade, tempo de acesso mais lento
Quando se desce na hierarquia




Diminuição do custo por bit
Aumento da capacidade
Aumento do tempo de acesso
Frequencia de acesso à memória pelo computador
8
Características Fundamentais
9
Características Fundamentais

Localidade


Interna ou externa
Capacidade

Normalmente em bytes ou palavras


Palavra: normalmente é igual ao no. de bits usados para
representar um inteiro e ao tamanho da instrução
Unidades endereçáveis: em alguns sistemas, a unidade
endereçável é a palavra
10
Características Fundamentais

Unidade de transferência



Memória principal: é o no. de bits lidos ou escritos na
memória de um só vez (não precisa ser igual a uma palavra)
Memória externa: normalmente são transferidos em
unidades muito maiores que uma palavra e esta são
chamadas de blocos
Método de acesso




Sequencial
Direto
Aleatório
Associativo
11
Características Fundamentais

Método de acesso Sequencial


Os dados são organizados em registros sequenciais.
Exemplo: fitas magnéticas
Registro
físico
Trilha 01
Trilha 02
Trilha 03
Trilha 04
Trilha 05
Trilha 06
Trilha 07
Trilha 08
Trilha 09
(bit de paridade)‫‏‬
Espaço entre registros

O tempo de acesso é variável
12
Características Fundamentais

Método de acesso direto

Cada bloco de dados possui um endereço único,
baseado na localização física

O acesso é feito através do acesso direto a uma
vizinhança genérica do registro, e em seguida por uma
busca sequencial


O tempo de acesso é variável
Exemplo: HD
Movimento
do braço
Movimento
do disco
Dado buscado
(trilha 02, setor 25)‫‏‬
13
Características Fundamentais

Método de acesso aleatório

Cada posição de memória possui um endereço único

O tempo de acesso a uma posição é constante, sendo
independente dos acessos anteriores

Exemplos: Memória principal e alguns sistemas de
memória cache
acesso
endereços
000
001
010
011
...
111
P1
P2
P3
P4
...
P8
14
Características Fundamentais

Método de acesso associativo

Tipo de acesso aleatório que compara simultaneamente
certo número de bits de uma palavra com todas as
palavras da memória, determinando quais delas contêm
o mesmo padrão de bits

Uma palavra é buscada com base em parte de seu
conteúdo, e não de acordo com o seu endereço

Exemplo: Memórias cache
15
Características Fundamentais

Desempenho

Tempo de Acesso (latência)

Tempo de ciclo de memória

Taxa de transferência
16
Características Fundamentais

Desempenho (Tempo de Acesso)

Em memórias de acesso aleatório


Tempo decorrido desde o instante em que um endereço é
apresentado à memória até o momento em que os dados são
armazenados ou se tornam disponíveis para utilização
Em memórias de acesso não-aleatório

Tempo gasto para posicionar o mecanismo de leitura-escrita
na posição desejada
17
Características Fundamentais

Desempenho (Tempo de ciclo de memória)

Aplicável principalmente às memórias de acesso
aleatório

Compreende o tempo de acesso e o tempo adicional
requerido antes que um segundo acesso possa ser
iniciado

O tempo adicional é necessário para o desaparecimento
de transientes nas linhas de sinal

Esse tempo refere-se ao barramento do sistema e não
ao processador
18
Características Fundamentais

Desempenho (Taxa de transferência)

Taxa na qual os dados podem ser transferidos de ou
para a unidade de memória

Para memórias de acesso aleatório:


1/(tempo de ciclo)
Para memórias de acesso não-aleatório:

TN = TA+(n/R), em que:
 T = tempo médio para ler ou escrever N bits;
N
 T = tempo de acesso médio
A
 n = número de bits
 R = taxa de transferência em bits por segundo (bps)
19
Características Fundamentais

Tecnologia

As mais comuns são memória semicondutora


Memória de superfície magnética


Disco ou fita
Óptica


RAM
CD e DVD
Magneto-óptica

Bolha e holograma
20
Características Fundamentais

Características físicas

Volátil: a informação se deteriora naturalmente ou se
perde quando a energia elétrica é desligada
(semicondutora)

Não volátil: a informação uma vez gravada permanece
sem deterioração até que seja deliberadamente mudada
(superfície magnética ou semicondutora)

Não apagável: memória somente leitura (ROM)
21
Memória Cache


Todos os sistemas de memória atuais contemplam
uma memória cache
Uma memória principal grande e lenta é combinada
com uma memória cache pequena e rápida
22
Memória Cache
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Referências
• STALLINGS, W. Arquitetura e organização de
computadores: projeto para o desempenho. 8.
ed. Prentice Hall, 2009.
• DELGADO, J.; RIBEIRO, C. Arquitetura de
Computadores. 2 ed. LTC, 2009.
• PATTERSON, D. A. ; HENNESSY, J.L. Organização
e projeto de computadores – a interface
hardware software. 3. ed. Editora Campus,
2005.
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