Cap 04 - Memoria

5/12/2018 Cap 04 - Memoria - slidepdf.com

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Memória

Organização de Computadores

Faculdade de Tecnologia Senac Goiás



Introdução

Memória é um termo genérico usado para designar as partes docomputador ou dos dispositivos periféricos onde os dados e programas sãoarmazenados.

Pode ser categorizada (hierarquia) em: registradores, cache, memóriaprincipal e memória secundária.

To a mem ria permite a rea izaç o e operaç es e: Escrita: é a gravação (ou armazenamento) da informação na memória. Leitura: a recuperação da informação armazenada.

Problema: processamento x memória A quantidade de instruções executadas por segundo por um processador tem

dobrado a cada 18 meses. A velocidade de acesso das memórias tem aumentado cerca de 10% ao ano (emborasua capacidade de armazenamento venha quadruplicando a cada 36 meses).

OBSERVAÇÃONesse capítulo será tratada somente a memória principal e memória cache.

Memória secundária será discutida futuramente.



Analogia: memória x escaninho

A memória dos computadores pode ser vista como uma longa sequência dechaves, botões liga-desliga ou interruptores. Cada chave tem duasposições possíveis: desligada ou ligada;

Podemos imaginar a memória do computador como uma sequência deescaninhos de correspondência, cada um com um número (endereço) e a

capacidade de guardar 8 bits de informação.



Como as informações sãorepresentadas nas memórias

O modo pelo qual cada bit é identificado na memória évariado: Sinal elétrico; Carga elétrica; Campo magnético;Presença/ausência de um ponto de luz

Um bit pode indicar apenas dois valores distintos. Logo, suautilidade individual é bastante restrita.

Para representarmos todos os símbolos utilizados no dia-a-dianecessitamos mais do que um bit.

Os sistemas de computação agrupam uma determinadaquantidade de bits, identificando este grupo como uma

unidade de armazenamento, denominada célula (termousado para identificar a unidade de armazenamento damemória principal).

Esse grupo é processado/movido em bloco como sendo um

único elemento.



Como localizar umainformação nas memórias

As células são identificadas, uma a uma,por um número (endereço).

bits, sequencialmente dispostos, a partirdo grupo de endereço 0 (zero) até o

último grupo, de endereço N – 1, sendo Na quantidade total de grupos.



Hierarquia de memória



Parâmetros

Tempo de acesso O período de tempo decorrido desde o instante em que foi iniciada a

operação de acesso até que a informação requerida tenha sidoefetivamente transferida.

O seu valor depende da tecnologia de construção e da velocidade de.

O tempo de acesso de memórias eletrônicas é o mesmo,independentemente da distância física entre o local de um acesso e olocal do próximo acesso.

Ciclo de tempo do sistema de memória (memory system’s cycle time ) Período de tempo decorrido entre duas operações sucessivas de acesso

à memória. Fatores podem impedir, por um pequeno intervalo de tempo, o uso do

sistema de memória para um novo acesso, logo após a conclusão doacesso anterior.



Parâmetros

Capacidade Quantidade de informação que pode ser

armazenada em uma memória.

o a a e Indica se a memória retém ou não a informação

armazenada quando a energia elétrica édesligada. Voláteis: registradores, RAM Não-voláteis: ROM, EPROM, HD, CD

É possível manter a energia em uma memórianão-volátil com o emprego de baterias.



Parâmetros

Tecnologia de fabricação Memórias de semicondutores. Memórias capacitivas. Memórias de meio magnético. Memórias de meio óptico.

Temporariedade Indica o conceito de tempo de permanência da informação em um

dado tipo de memória. Permanente: fitas, CDs, disquetes Transitória: registradores, RAM, cache

Custo Custo de fabricação é bastante variado em função de diversos fatores,

principalmente a tecnologia de fabricação. Uma boa unidade de medida de custo é o preço por byte armazenado,

em vez do custo total da memória em si.



Registradores

Antes que uma instrução ou dado seja processado, oprocessador necessita buscá-lo na memória earmazená-lo em seu próprio interior, em umdispositivo de memória denominado registrador.

Parâmetros: Tempo de acesso: 1 a 5 ns. Capacidade: um único dado, instrução ou endereço. Volatilidade: voláteis. Tecnologia: semicondutores (MOS). Temporariedade: apenas o tempo necessário para a

utilização do dado na ULA. Custo: topo da pirâmide em termos de custo.



Registradores



Registradores



Memória cache

Em toda execução de uma instrução, a CPU acessa a memóriaprincipal (sem cache), pelo menos uma vez, para buscar a instrução(uma cópia) e transferi-la para um registrador.

Considerando que um ciclo de memória é bem mais demorado queo ciclo da CPU, o processador necessita esperar até que ainstruç o a os c eguem.

Na busca de uma solução, foi desenvolvida uma técnica queconsiste na inclusão de um dispositivo de memória entre a CPU e aMP, denominado memória cache, cuja função é acelerar avelocidade de transferência das informações entre a CPU e a MP.

Esse tipo de memória é fabricado com tecnologia semelhante à daCPU.

As memórias cache RAM podem ser inseridas em até quatro níveis,denominados L1, L2, L3 e L4.



Memória cache

Princípio da localidade (espacial e temporal): referências à mem

ória feitas em qualquer intervalo de tempo curto tendem a usar apenasuma pequena fração da memória total (instruções e dados).

Memórias são divididas em blocos de tamanho fixo (linhas de cache). Toda a linha é carregada da memória principal para a cache.

Operações: miss e hit .



Memória cache

Cache primário (L1): embutido no próprio processador e é rápido o

bastante para acompanhá-lo em velocidade. Cache secundário (L2): um tipo de memória cache pouco mais lento,

que por ser muito mais barato, permite que seja usada uma quantidademuito maior. Embutido no chip do processador.

Funcionamento a mem ria cac e

Sempre que o processador precisar ler dados/instruções, os procurará primeiro nocache L1. Caso o dado seja encontrado (cache hit ), o processador não perderátempo, já que o cache primário funciona na mesma frequência que ele.

Caso o dado não esteja no cache L1 (cache miss ), então o próximo a ser indagadoserá o cache L2. Encontrando o que procura no cache secundário, o processador jáperderá algum tempo, mas não tanto quanto perderia caso precisasse acessardiretamente a memória RAM.

Caso os dados não estejam em nenhum dos dois caches, não restará outra saídasenão perder vários ciclos de processamento esperando que eles sejam entreguespela lenta memória RAM. Nesse caso, além da informação requerida, informações

“vizinhas” também são retornadas e armazenadas nas memórias cache.



Memória cache

Parâmetros: Tempo de acesso: poucos ns. Capacidade: geralmente, de 512KB a 2MB (existem

processadores com mais). o a a e: vo e s.

Tecnologia: circuitos eletrônicos de alta velocidade. Emgeral, são memórias estáticas (não necessita ser analisadaou recarregada a cada momento, guardam a informaçãopor todo o tempo em que estiver a receber alimentação),

denominadas SRAM. Temporariedade: menor que a duração da execução do

programa, pois ela precisa ser utilizada por todos osprogramas em execução (depende do tipo de política desubstituição de informação na cache).

Custo: é alto.



Memória principal

Arquitetura de von Neumann Máquina de programa armazenado O fato das instruções, uma após a outra, poderem ser

imediatamente acessadas pela CPU é que garante o

execução dos programas. Essas instruções podem ser acessadas imediatamente

porque elas estão armazenadas internamente nocomputador (e os seus dados), na memória principal.

MP: memória básica de um sistema de computação. Também chamada de memória RAM (random access

memory )



Memória principal – RAM

Parâmetros Tempo de acesso: pode chegar a alguns µs. Capacidade: poucos GB Volatilidade: volátil

Tecnologia: elementos dinâmicos (DRAM), geralmentecapacitivos. Temporariedade:

Armazena parte do programa a ser executado e seus dados;obrigatoriamente, a instrução que será executada e os dados

associados à essa instrução. Depende do tamanho do programa e sua duração, quantidade

de programas que estão sendo processados juntos, ...

Custo: bem mais baratas que as memórias cache.




Pentes de memória de diferentes tipos: (A) DDR2; (B) DIMM; (C) SIMM.




Quanto à tecnologia usada na sua construção, existem dois tipos

básicos de memória RAM: Dinâmica: memória baseada na tecnologia de capacitores e requer a atualização

periódica do conteúdo de cada célula do chip consumindo assim pequenasquantidades de energia. (EDO, DRAM, BEDO, DRAM, SDRAM, RDRAM, ...)

dos dados. Quadro comparativo:

Tipo de Memória Vantagens Desvantagens

RAM Dinâmica BarataBaixo ConsumoAlta Densidade

Necessita de AtualizaçãoLenta

RAM Estática RápidaNão necessita deatualização

Mais caraConsome Mais EnergiaBaixa Densidade



Memória principal – ROM

A memória ROM (read only memory ) é um tipo de memória quepossui informações pré-escritas (rotinas que inicializam ocomputador quando este é ligado), que são gravadas pelofabricante uma única vez.

Os dados nela gravados são não-voláteis.

Depois de gravados, os dados não podem ser alterados ouapagados, ou seja, eles são gravados permanentemente.

Geralmente, esta memória está gravada em um circuito integradoque é soldado diretamente na placa-mãe.

As informações gravadas nesta memória são denominadas defirmware .

Nela, estão gravados três tipos de programas que são executadosquando o computador é ligado: Bios, Setup e Post.




Bios (basic input output system – sistema básico de entradae saída) Este programa é encarregado de reconhecer os componentes

de hardware instalados, realizar o boot e prover informaçõesbásicas para o funcionamento do micro.

Cada modelo de placa-mãe possui a sua própria Bios, sendo quea Bios de um determinado modelo de placa não irá funcionarcorretamente em outro modelo.

Quando o computador é ligado, certa parte do circuito docomputador ativa o programa Bios que verificará todo ofuncionamento do circuito, analisando a memória e se asconexões dos periféricos estão corretas.

Por exemplo, se o teclado não estiver corretamente conectado,a Bios irá mostrar uma mensagem de erro na tela.




Setup Programa que permite configurar o computador. Durante a execução do programa Bios, se o usuário pressionar uma

seqüência de teclas, será carregado um programa que permitirá que ousuário configure alguns parâmetros internos do computador.

-

usuário “leigo”, uma vez que, caso seja incorretamente configurado, ocomputador pode não funcionar mais (até que alguém corrija estaconfiguração).

Para que estas configurações não se percam, elas são gravadas emuma memória volátil (denominada CMOS – complementary metal oxide semicondutor ).

Existe uma bateria na placa-mãe que é responsável por manter osdados existentes nesta memória, de forma que, toda vez que ocomputador é iniciado, a Bios lê estes valores e opera de acordo comeles.

Se a bateria falhar ou estiver fraca, ao ligar o computador, você deverá

informar manualmente alguns dos parâmetros de configuração.




Post ( power-on self-test ) Durante o boot (carga do sistema) a Bios realiza uma série de testes

denominados Post. Os dados do Post são mostrados durante a inicialização, indicando a

quantidade de memória instalada, discos, portas seriais e outros.

Quando o Post termina, a Bios gera um relatório (uma tabela)informando alguns detalhes sobre o hardware instalado, permitindoque o usuário saiba alguns detalhes sobre a sua configuração.

Principais funções do Post: Inicialização do vídeo Identificação da configuração instalada Testa a memória Inicializa todos os periféricos de apoio da placa-mãe Testa o teclado.

Somente após o Post é que a Bios entrega o controle domicroprocessador ao sistema operacional.







A fabricação de memórias ROM evoluiu com o tempo,surgindo diversos tipos de memórias: PROM ( programmable read-only memory ): memória pode ser programada pelo usuário só

uma vez depois da sua fabricação. A programação é feita pela aplicação de pulsos de altavoltagem que não são encontrados durante a operação normal.

EPROM(erasable programmable ready-only memory ): é programada eletronicamente,assim como as PROMs. Entretanto, elas podem ser apagadas através da exposição em uma

forte luz ultravioleta. as EPROMs são facilmente reconhecíveis pela janela transparente notopo do dispositivo que protege a memória. Uma EPROM programada mantém os seusdados por até vinte anos e pode ser lida um número de vezes ilimitado.

EEPROM (eletrically erasable programmable ready-only memory ): pode ser programada eapagada várias vezes, eletricamente. Embora ela possa ser lida um número ilimitado devezes, ela pode ser apagada e programada um número limitado de vezes – de 100 mil atéum milhão de vezes.

Memória Flash: é uma memória do tipo EEPROM que permite que múltiplos endereçossejam apagados ou escritos em uma só operação. Esta memória é usada em cartões dememória e em drives flash USB.



Memória secundária

Tem por objetivo garantir umarmazenamento mais permanente aos

Pode ser constituída por diferentes tiposde dispositivos: HD, disquetes, fitas, CD,

DVD.



Memória secundária

Parâmetros Tempo de acesso: depende do dispositivo(eletromecânico, eletrônico, ...). Pode chegar àdezenas de ms.

Capacidade: grande capacidade dearmazenamento. Virtualmente ilimitado. Volatilidade:: não-volátil. Tecnologia: imensa variedade – óptica,

magnética, ... Temporariedade: permanente. Custo: baixo custo.



Memória virtual

Memória extra conseguida armazenando dados e pedaços deprogramas em outros dispositivos de armazenamento.

Os dados são guardados temporariamente nos discos liberandomemória RAM para que seja utilizada por outros programas.

O processo de movimentação dentre a memória RAM e este arquivoem disco é chamado swap .

Os sistemas operacionais modernos controlam o tamanho doarquivo de troca automaticamente, aumentando e diminuindo o seu

tamanho à medida que for necessário.

Quando há ocorrência freqüente de swap , aumentar a quantidadede memória RAM em um computador o torna mais rápido.



Operações com a MP

É possível realizar duas operações em umamemória: Escrita: armazenar informações.

Leitura: Recuperar uma informação previamente armazenada.

Não destrói o conteúdo da memória.

Transfere uma cópia do que está armazenado.

Como se desenrola uma operação de leiturae escrita na MP?



Operações com a MP

Estrutura CPU/MP



Operações com a MP Barramento de dados

Interliga o RDM à MP para transferência de dados/instruções entre a MP e a CPU. É bidirecional

RDM – Registrador de dados da memória MBR – memory buffer register

CPU.

Barramento de endereço Interliga o REM à MP É unidirecional – somente a CPU aciona a MP

REM – Registrador de endereços da memória

MAR – memory address register Armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posição de memória.

Barramento de controle Interliga a MP e a CPU para passagem de sinais de controle durante uma operação

de leitura ou escrita.



Operações com a MP - leitura

1. (REM) ← (outro reg.)

2. O endereço é colocadono barramento de

endereços3. Sinal de leitura no

barramento de controle(decodificação)

4. (RDM) ← (MP(REM))5. (outro reg.) ← (RDM)



Operações com a MP - escrita

1. (REM) ← (outro reg.)2. O endereço é colocado

endereços3. (RDM) ← (outro reg.)4. Sinal de escrita é

colocado no barramentode controle

5. (MP(REM)) ← (RDM)



Capacidade da MP

Capacidade de memória refere-se genericamenteà quantidade de informações que nela podem serarmazenadas em um instante de tempo.

O elemento mais im ortante ara determinar a

capacidade de uma memória é a quantidade deendereços que poderemos criar e manipular. É comum um dado ocupar várias células e,

consequentemente, vários endereços.

Na prática, usa-se a quantidade de células pararepresentar a capacidade de memória (células de8 bits).



Organização da MP



Organização da MP



Cálculos com capacidade daMP

A RAM é um conjunto de N células, cada umaarmazenando um valor com M bits.

N representa a capacidade da memória-

0 e 2M

– 1 (são 2M

combinações possíveis). A MP tendo N endereços e sendo E a quantidade

de bits dos números que representam cada umdos N endereços, então N = 2E.

O total de bits que podem ser armazenados naMP é: T = N x M = 2E x M




Exemplo 1: Uma memória RAM tem um espaço máximo

de endere amento de 2K. Cada célula ode

armazenar 16 bits. Qual o valor total de bitsque pode ser armazenado nesta memória equal o tamanho de cada endereço?

RESPOSTA:

Total de bits da MP: 32K

Tamanho de cada endereço: 11 bits




Exemplo 2: Uma memória RAM é fabricada com a

possibilidade de armazenar um máximo de 256K

bits. Cada célula pode armazenar 8 bits. Qual é otamanho de cada endereço e qual é o total decélulas que podem ser utilizadas naquela RAM?

RESPOSTA:

Tamanho de cada endereço: 15 bits

Total de células: 32K

á



Cálculos com capacidade da

MP

Exemplo 3: Um computador, cuja memória RAM tem uma

capacidade máxima de armazenamento de 2K alavras de 16 bits cada ossui um REM e um

RDM. Qual o tamanho destes registradores? Qualo valor do maior endereço dessa MP e qual aquantidade total de bits que nela pode serarmazenada?

RESPOSTA: REM: 11 bits RDM: 16 bits Total de bits: 32K bits Maior endereço: 111111111112 = 204710 = 7FF16



Detecção de erros O conteúdo da memória pode ser alterado erroneamente

devido a algum problema (ex.: erro transmissão ou falha deenergia elétrica) Bits extras são adicionados a cada palavra de memória para

res uardar contra eventuais erros ue ossam ocorrer nosdados armazenados em memória.

Palavra de código: uma unidade de n bits que contémdados e bits de verificação.

Palavra de memória: m bits Bits de verificação: r bits

Comprimento total: n = m + r Exemplos de detecção de erro:

Bit de paridade (exemplo mais simples) CRC



Correção de erros

• Desejamos projetar um código com m bits de dados e r bits de

verificação que permitirá que todos os erros de bits únicos sejamcorrigidos.

• Número de bits de verificação para um código que pode corrigir



Correção de erros

Algoritmo de Hamming (ou código de Hamming): Os bits são numerados começando com 1, a partir da

esquerda. Os bits cujo número de bit for uma potência de 2 são bits de

paridade; os bits restantes são bits de dados. Cada bit de paridade verifica posições específicas de bits

Em geral o bit b é verificado pelos bits b1, b2, ..., b j tais que:b1 + b2 + ... + b j = b

O bit de paridade é estabelecido de modo que o número de1s na posições verificadas seja par.

Exemplo: palavra de 16 bits; são adicionados 5 bits deparidade

Bit 1 verifica os bits 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21.

Bit 2 verifica os bits 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, 18, 19.

Bit 4 verifica os bits 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 20, 21.

Bit 8 verifica os bits 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15.

Bit 16 verifica os bits 16, 17, 18, 19, 20, 21.



Correção de erros

Exemplo: Construção do código de Hamming para a palavra de memória

11110000010101110 (adicionando 5 bits de verificação aos 16 bits dedados):

Se o bit 5 fosse invertido por uma sobrecarga elétrica, a nova palavra de códigoseria oo1001100000101101110, invalidando os bits de paridade 1 e 4.

Uma vez detectado o erro, todos os demais bits de paridade são verificados.

Através desta análise, poderíamos facilmente descobrir que o bit 5 estáincorreto.

Desta forma, o bit 5 pode ser corrigido automaticamente.

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Cap 04 - Memoria