Aula 20 Hierarquia deMemorias

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<p>Universidade Politécnica</p><p>M.Sitoe_24A</p><p>Engenharia Informática e de Telecomunicações</p><p>1º Semestre</p><p>A POLITÉCNICA</p><p>ASC</p><p>Hierarquia de Memórias</p><p>11/06/2024 M.S</p><p>Precisamos de Memória</p><p>➢ Para armazenar as instruções de programas e os dados.</p><p>➢ Todos desejamos uma quantidade infinita de memória.</p><p>➢ Por questões físicas e orçamentárias não podemos ter uma</p><p>memória muito grande.</p><p>➢ Além de grande, desejamos uma memória rápida.</p><p>➢ Pelo menos tão rápida quanto a CPU consegue solicitar</p><p>informações.</p><p>➢ Mas se não conseguimos “pagar” nem por uma memória grande,</p><p>uma memória grande e rápida se torna impraticável.</p><p>Precisamos de Memória</p><p>Segundo Henessy e Patterson (2017).</p><p>Um processador Intel i7 7600 - 4 núcleos @4,1GHz em seu pico de operação:</p><p>Faz duas referências de 64 bits a memória por core a cada ciclo de clock.</p><p>Pode também demandar até 12,8 *109 instruções de 128 bits por segundo.</p><p>➢ A taxa de transferência entre a memória principal e o processador</p><p>deveria ser de 409,6 GiB/s para suprir o processador.</p><p>➢ As memórias DRAM comumente utilizadas em conjunto com esse</p><p>processador, configuradas em “dual chanel” conseguem suprir apenas</p><p>34,1GiB/s.</p><p>O Quão Rápida a Memória Precisa Ser?</p><p>Para amenizar esses problemas, é usada uma</p><p>hierarquia de memórias, com n níveis.</p><p>A quantidade de níveis vai depender da</p><p>arquitetura da máquina.</p><p>Capacidade de Armazenamento</p><p>Hierarquia de Memórias</p><p>V</p><p>el</p><p>o</p><p>ci</p><p>d</p><p>ad</p><p>e</p><p>e</p><p>C</p><p>u</p><p>st</p><p>o</p><p>Tomando como base um computador x86-64, pode-se</p><p>conseguir especificar quais memórias estão em quais</p><p>níveis?</p><p>Capacidade de Armazenamento</p><p>Hierarquia de Memórias</p><p>V</p><p>el</p><p>o</p><p>ci</p><p>d</p><p>ad</p><p>e</p><p>e</p><p>C</p><p>u</p><p>st</p><p>o</p><p>Tomando como base um computador x86-64, pode-se</p><p>conseguir especificar quais memórias estão em quais</p><p>níveis?</p><p>▪ Caches.</p><p>▪ Memória Principal (DRAM).</p><p>▪ HD ou SSD (ou ambos).</p><p>Capacidade de Armazenamento</p><p>Hierarquia de Memórias</p><p>V</p><p>el</p><p>o</p><p>ci</p><p>d</p><p>ad</p><p>e</p><p>e</p><p>C</p><p>u</p><p>st</p><p>o</p><p>Acesso dos níveis</p><p>Na maioria das implementações, temos uma hierarquia real</p><p>➢ A CPU acessa os dados apenas no nível 1.</p><p>➢ O nível 1 serve dados para a CPU, e requisita dados do nível 2.</p><p>➢ O nível 2 serve dados para o nível 1, e requisita do nível 3.</p><p>…</p><p>Não pulamos níveis em uma hierarquia real.</p><p>Capacidade de Armazenamento.</p><p>V</p><p>e</p><p>lo</p><p>cid</p><p>ad</p><p>e</p><p>e</p><p>C</p><p>u</p><p>sto</p><p>.</p><p>Uma questão de custos</p><p>Patterson, Hennessy. Computer</p><p>Organization and Design RISC-V</p><p>Edition. 2020 (Ed. Americana).</p><p>Compare</p><p>Patterson, Hennessy. Computer</p><p>Organization and Design RISC-V</p><p>Edition. 2020 (Ed. Americana).</p><p>Patterson, Henessy 5a ed</p><p>(2014 – Edição Americana).</p><p>Patterson, Henessy 4a ed (2011 –</p><p>Edição Americana</p><p>Tecnologias envolvidas</p><p>Considerando a hierarquia comumente encontrada nos x86-64.</p><p>Caches: SRAM (static random access memory).</p><p>Construídas utilizando transistores com retroalimentação (de</p><p>forma similar à flip-flops).</p><p>Memória Principal: DRAM (dynamic random access memory).</p><p>Memórias capacitivas.</p><p>Capacitores carregados/descarregados indicam o</p><p>estado do bit.</p><p>SSD ou HD.</p><p>Flashes NAND ou NOR, ou discos magnéticos.</p><p>Memória Principal</p><p>SSD ouHD</p><p>Cachés</p><p>A Memória Principal</p><p>➢ Fica entre os níveis da cache e armazenamento</p><p>permanente.</p><p>➢ Cache -> desejamos mais velocidade.</p><p>➢ Armazenamento permanente -> desejamos mais espaço.</p><p>Caches</p><p>Memória principal</p><p>SSD ou HD</p><p>Mapeamento</p><p>Dividir as memórias (principal e cache) em blocos.</p><p>Blocos de mesmo tamanho.</p><p>Obviamente, a memória cache suporta menos blocos que a</p><p>principal.</p><p>Requisitando dados</p><p>Quando o processador requisita um dado e:</p><p>➢ O dado está presente em um bloco no nível de memória</p><p>mais alto (cache nesse caso).</p><p>Temos um hit</p><p>(acerto).</p><p>➢ Se o dado não</p><p>está presente.</p><p>Temos um miss</p><p>(erro).</p><p>Necessário tempo para carregar o bloco.</p><p>Métricas de Desempenho</p><p>hit rate</p><p>Também chamado de hit ratio.</p><p>Fração dos acessos a memória nos quais tivemos um hit.</p><p>hitRate = hits/TotalAcessos</p><p>miss rate</p><p>Também chamado de miss ratio.</p><p>Fração dos acessos a memória nos quais tivemos um miss.</p><p>MissRate = 1 – hitRate</p><p>Métricas de Desempenho</p><p>Hit time</p><p>Tempo de hit.</p><p>Tempo necessário para acessar um bloco de memória no nível alto,</p><p>considerando ainda o custo para verificar se temos ou não um hit.</p><p>Miss penalty</p><p>Penalidade de miss.</p><p>Tempo necessário para carregar/substituir um bloco do nível mais alto por</p><p>um do nível logo abaixo.</p><p>Memória Semicndutora</p><p>➢ Existem dois tipos de memória semicondutora: memória de acesso</p><p>aleatório (RAM) e memória somente leitura (ROM).</p><p>➢ Trabalho de investigação</p><p>Memória Semicondutora – ROM</p><p>Read Only Memory (ROM):</p><p>➢ É uma memória Não volátil: Mantém as informações memos após a</p><p>interrupção da alimentação.</p><p>➢ É Projetada para armazenar dados que não precisam ser alternados com</p><p>freqüência</p><p>Memória Semicondutora – ROM</p><p>Características</p><p>➢ Não Volátil: Retém os dados armazenados mesmo quando não há</p><p>alimentação elétrica.</p><p>➢ Somente Leitura: Em sua forma tradicional, os dados na ROM só podem ser</p><p>lidos e não escritos ou modificados</p><p>➢ Uso Comum: É utilizada para armazenar o firmware do dispositivo</p><p>➢ Velocidade de Acesso: Tem uma velocidade de acesso mais lenta comparada</p><p>à RAM, mas é rápida em fornecer os dados armazenados imediatamente ao</p><p>ligar o dispositivo.</p><p>Memória Semicondutora – ROM</p><p>Aplicações</p><p>➢ Firmware: A ROM é essencial para armazenar firmware, como o BIOS em</p><p>computadores, que inicializa o hardware durante o boot.</p><p>➢ Sistemas Embarcados: Utilizada em dispositivos onde o software não precisa</p><p>ser atualizado com freqüência: eletrodomésticos, sistemas automotivos e</p><p>dispositivos de telecomunicações...</p><p>➢ Inicialização de Dispositivos: Armazena os dados necessários para que um</p><p>dispositivo eletrônico comece a funcionar corretamente ao ser ligado.</p><p>Memória Semicondutora – ROM</p><p>Tipos de ROM</p><p>➢ ROM de Máscara (Masked ROM): Programada durante o processo de</p><p>fabricação e não pode ser reprogramada.</p><p>➢ PROM (Programmable ROM): Pode ser programada uma única vez pelo</p><p>usuário após a fabricação através de um dispositivo de programação especial.</p><p>➢ EPROM (Erasable Programmable ROM): Pode ser apagada e reprogramada</p><p>mediante exposição à luz ultravioleta.</p><p>Memória Semicondutora – ROM</p><p>Tipos de ROM</p><p>➢ EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Pode ser apagada e</p><p>reprogramada eletricamente, o que permite múltiplos ciclos de</p><p>escrita/remoção. É comum em aplicações onde os dados precisam ser</p><p>atualizados periodicamente.</p><p>➢ Memória Flash: Uma forma avançada de EEPROM que permite apagar e</p><p>escrever blocos completos de dados de maneira rápida. Utilizada em</p><p>dispositivos como pendrives e cartões SD.</p><p>Disco Rígido</p><p>A arquitetura interna do disco rígido é feita de</p><p>vários pratos, e os pratos contêm as</p><p>informações; as funções dos cabeçotes são ler</p><p>ou gravar informações da superfície do disco.</p><p>A superfície do prato é feita de várias trilhas,</p><p>e cada trilha é dividida em setores.</p><p>Características do disco</p><p>➢ Tempo de acesso: o tempo que leva para iniciar a transferência de dados,</p><p>e é a soma do tempo de busca e do atraso rotacional.</p><p>➢ Tempo de busca: o tempo que leva o cabeçote a se mover para a trilha</p><p>adequada.</p><p>➢ Atraso Rotacional: o tempo que leva para um setor ser posicionado sob a</p><p>cabeça de leitura / gravação e depende da velocidade de rotação. A velocidade</p><p>de rotação representada por revoluções por minuto (RPM) assume que o setor</p><p>está longe da metade da frente da pista;</p><p>Características do disco – Cluster</p><p>Atraso rotacional = Tempo para meia revolução = 60s / RPM ∗ 2</p><p>Capacidade do disco: Capacidade de um disco calculada por</p><p>Capacidade do disco = Número de superfícies ∗ Número de trilha / Superfície ∗</p><p>Número de setores / trilha ∗ Número de bytes / Scetor</p><p>Características do disco – Cluster</p><p>Cada sector de um disco tem 512 bytes (B), e o cluster é feito de um ou mais sectores; se um</p><p>cluster tiver 1 kB, ele é feito de dois sectores. O cluster de 2 kB é composto por 4 sectores.</p><p>Exemplo 1: Uma unidade de disco tem 8 superfícies, cada superfície tem 1024 trilhas, cada</p><p>trilha tem 64 sectores e cada sector pode conter 512 B e velocidade</p><p>de rotação de 6000 RPM.</p><p>• (a) Qual é a capacidade do disco?</p><p>• (b) Qual é o atraso rotacional?</p><p>Características do disco – Cluster</p><p>➢ Capacidade do disco = 8 * 1024 * 64 * 512 = 268.435.456 B</p><p>➢ Atraso de rotação = 60/6000 * 2 = 0,005 s</p><p>Características do disco – Cluster</p><p>Sistema de arquivo de disco</p><p>➢ Um sistema de arquivos define a organização das informações armazenadas</p><p>no disco rígido; o Windows OS (sistema operacional) oferece FAT16 (tabela</p><p>de alocação de arquivos) e FAT32 que são usados para os primeiros sistemas</p><p>operacionais Windows; atualmente, a maioria dos sistemas operacionais</p><p>Windows usa NTFS (New Technology File System). O NTFS oferece melhor</p><p>segurança, como permissão para restringir o acesso e criptografia.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>SSD - (Solid State Drive)</p><p>➢ É um dispositivo de armazenamento que utiliza memória flash para</p><p>armazenar dados de maneira persistente, sem partes móveis, ao contrário</p><p>dos discos rígidos tradicionais (HDDs) que utilizam discos magnéticos</p><p>rotativos.</p><p>➢ Possuem alta velocidade, durabilidade e eficiência energética, comparado</p><p>aos HDDs</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>➢ O disco rígido é um dispositivo lento e pode ser substituído por SSD. O SSD</p><p>é feito de memória flash NAND não volátil.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Características</p><p>➢ Alta Velocidade:</p><p>➢ Leitura/Escrita: Oferecem velocidades de leitura e escrita</p><p>significativamente superiores aos HDDs, resultando em tempos de boot</p><p>mais rápidos, carregamento mais ágil de aplicativos e melhor</p><p>desempenho geral do sistema.</p><p>➢ Latência Baixa: Acesso quase instantâneo aos dados armazenados, sem</p><p>a necessidade de esperar pela rotação dos discos como nos HDDs.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Características</p><p>➢ Eficiência Energética:</p><p>➢ Consumo Reduzido: Consomem menos energia do que os HDDs</p><p>➢ Durabilidade:</p><p>➢ Sem Partes Móveis: não componentes mecânicos, portanto, são menos</p><p>propensos a falhas físicas causadas por choques ou vibrações.</p><p>➢ Resistência a Impactos: Maior resistência a quedas e movimentos bruscos,</p><p>tornando-os ideais para laptops e dispositivos móveis.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Características</p><p>➢ Eficiência Energética</p><p>➢ Consumo Reduzido: Consomem menos energia do que os HDDs, o</p><p>que é benéfico para a duração da bateria em dispositivos portáteis.</p><p>➢ Silenciosos</p><p>➢ Operação Sem Ruído: A ausência de partes móveis também significa</p><p>que os SSDs operam de forma silenciosa, sem o ruído associado à</p><p>operação dos HDDs.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Tipos de SSD</p><p>➢ SATA SSDs:</p><p>➢ Interface: Utilizam a interface SATA (Serial ATA), que é a mesma usada pelos</p><p>HDDs.</p><p>➢ Desempenho: Embora mais rápidos que os HDDs, são limitados pela velocidade</p><p>máxima da interface SATA (aproximadamente 600 MB/s).</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Tipos de SSD</p><p>➢ NVMe SSDs:</p><p>➢ Interface: Utilizam a interface NVMe (Non-Volatile Memory Express) conectada</p><p>via PCIe (Peripheral Component Interconnect Express).</p><p>➢ Desempenho: Oferecem velocidades muito superiores às dos SATA SSDs,</p><p>aproveitando a maior largura de banda do PCIe, com velocidades que podem</p><p>superar 3500 MB/s.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Tipos de SSD</p><p>➢ M.2 SSDs:</p><p>➢ Formato: Podem usar interfaces SATA ou NVMe, mas são diferenciados pelo seu</p><p>formato compacto.</p><p>➢ Flexibilidade: Adequados para dispositivos com espaço limitado, como</p><p>ultrabooks e desktops modernos.</p><p>Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Tipos de SSD</p><p>➢ U.2 SSDs:</p><p>➢ Interface: Geralmente utilizam a interface NVMe.</p><p>➢ Aplicações: São comuns em servidores e estações de trabalho de alto</p><p>desempenho.</p><p>Slide 1: Universidade Politécnica</p><p>Slide 2: Hierarquia de Memórias</p><p>Slide 3: Precisamos de Memória</p><p>Slide 4: Precisamos de Memória</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9: Acesso dos níveis</p><p>Slide 10: Uma questão de custos</p><p>Slide 11: Compare</p><p>Slide 12: Tecnologias envolvidas</p><p>Slide 13: A Memória Principal</p><p>Slide 14: Mapeamento</p><p>Slide 15: Requisitando dados</p><p>Slide 16: Métricas de Desempenho</p><p>Slide 17: Métricas de Desempenho</p><p>Slide 18: Memória Semicndutora</p><p>Slide 19: Memória Semicondutora – ROM</p><p>Slide 20: Memória Semicondutora – ROM</p><p>Slide 21: Memória Semicondutora – ROM</p><p>Slide 22: Memória Semicondutora – ROM</p><p>Slide 23: Memória Semicondutora – ROM</p><p>Slide 24: Disco Rígido</p><p>Slide 25: Características do disco</p><p>Slide 26: Características do disco – Cluster</p><p>Slide 27: Características do disco – Cluster</p><p>Slide 28: Características do disco – Cluster</p><p>Slide 29: Características do disco – Cluster</p><p>Slide 30: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 31: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 32: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 33: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 34: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 35: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 36: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 37: Unidade de estado sólido - SSD</p><p>Slide 38: Unidade de estado sólido - SSD</p>