Introdução à Informática_TSC-CEDERJ_11

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IntroduçãoIntrodução àà
InformáticaInformática
Alexandre Alexandre MeslinMeslin
((meslinmeslin@@ncence.ufrj..ufrj.brbr))
Organização da MemóriaOrganização da Memória
zz Conceito de hierarquia de memóriaConceito de hierarquia de memória
zz MemMemóória principal e memria principal e memóórias secundrias secundááriasrias
zz Projeto lógico da memória principalProjeto lógico da memória principal
zz MemMemóórias rias cachecache
zz MemMemóória virtualria virtual
Conceito de Hierarquia de Conceito de Hierarquia de 
MemóriaMemória
zz Memória no computadorMemória no computador
™™RegistradoresRegistradores
™™Memória principalMemória principal
™™Memória Memória cachecache
™™Memória ROMMemória ROM
™™Discos magnéticosDiscos magnéticos
™™Discos ópticosDiscos ópticos
™™Fitas magnéticasFitas magnéticas
RegistradoresRegistradores
zz É a memória mais rápidaÉ a memória mais rápida
zz Montada dentro da CPUMontada dentro da CPU
zz Local onde as operações aritméticas são Local onde as operações aritméticas são 
calculadascalculadas
zz Conjuntos de apenas algumas dezenasConjuntos de apenas algumas dezenas
Memória PrincipalMemória Principal
zz Construída utilizando memória dinâmicaConstruída utilizando memória dinâmica
zz Memória de leitura e escritaMemória de leitura e escrita
zz DRAMDRAM
zz Mais lenta e mais barata que a memória Mais lenta e mais barata que a memória cachecache
zz Computadores atuais possuem pelo menos 64 Computadores atuais possuem pelo menos 64 
megabytesmegabytes
zz Tempo de acesso unitário de 60 ns e em modo Tempo de acesso unitário de 60 ns e em modo 
rajada de 7 nsrajada de 7 ns
zz O seu conteúdo é perdido quando a energia é O seu conteúdo é perdido quando a energia é 
desligadadesligada
ProblemasProblemas
zz Configuração de hardwareConfiguração de hardware
™™Processador de 1 GHzProcessador de 1 GHz
™™Unidade aritmética de 32 bits (4 bytes)Unidade aritmética de 32 bits (4 bytes)
™™Tempo de acesso à memória:Tempo de acesso à memória:
ƒƒ Unitário: 60 nsUnitário: 60 ns
ƒƒ Rajada: 7 ns (Rajada: 7 ns (PC133PC133))
zz Processador necessita de dados a cada 1 nsProcessador necessita de dados a cada 1 ns
™™Período é o inverso da freqüênciaPeríodo é o inverso da freqüência
™™1 ns = 1/1 GHz1 ns = 1/1 GHz
ValoresValores
zz Memória de 8 bitsMemória de 8 bits
™™ 4 acessos necessários4 acessos necessários
™™ 1o acesso em 60 ns1o acesso em 60 ns
™™ 2o, 3o e 4o acesso a cada 7 ns2o, 3o e 4o acesso a cada 7 ns
™™ Tempo total = 60 + 3*7 = 81 nsTempo total = 60 + 3*7 = 81 ns
™™ Memória 80 vezes mais lenta que o processadorMemória 80 vezes mais lenta que o processador
CPUCPU MemóriaMemória
barramentobarramento
de dadosde dados
8 bits8 bits
ValoresValores
zz Memória de 16 bitsMemória de 16 bits
™™ 2 acessos necessários2 acessos necessários
™™ 1o acesso em 60 ns1o acesso em 60 ns
™™ 2o acesso em 7 ns2o acesso em 7 ns
™™ Tempo total = 60 + 7 = 67 nsTempo total = 60 + 7 = 67 ns
™™ Memória 67 vezes mais lenta que o processadorMemória 67 vezes mais lenta que o processador
CPUCPU MemóriaMemória
barramentobarramento
de dadosde dados
16 bits16 bits
ValoresValores
zz Memória de 32 bitsMemória de 32 bits
™™ 1 único acesso1 único acesso
™™ acesso em 60 nsacesso em 60 ns
™™ Tempo total = 60 nsTempo total = 60 ns
™™ Memória 60 vezes mais lenta que o processadorMemória 60 vezes mais lenta que o processador
CPUCPU MemóriaMemória
barramentobarramento
de dadosde dados
32 bits32 bits
Memória Memória CacheCache
zz Construída utilizando memória estáticaConstruída utilizando memória estática
zz Memória de leitura e escritaMemória de leitura e escrita
zz SRAMSRAM
zz Extremamente rápidaExtremamente rápida
zz Pouca capacidadePouca capacidade
zz Opera em velocidade perto da velocidade do Opera em velocidade perto da velocidade do 
processadorprocessador
™™ Igual ou metadeIgual ou metade
zz Memória de acesso aleatórioMemória de acesso aleatório
Memória Memória CacheCache
zz Nível 1 Nível 1 ÆÆ construconstruíída junto ao processadorda junto ao processador
zz NNíível 2 vel 2 ÆÆ fora do processador (na placa mfora do processador (na placa mããe)e)
zz A maior parte dos PC’s contém:A maior parte dos PC’s contém:
™™Alguns Alguns quilobytesquilobytes de nível 1de nível 1
™™Poucos megabytes de nível 2Poucos megabytes de nível 2
zz O tempo de acesso é menor do que 6nsO tempo de acesso é menor do que 6ns
zz Memória muito caraMemória muito cara
zz O seu conteúdo é perdido quando a energia é O seu conteúdo é perdido quando a energia é 
desligadadesligada
Termos ComunsTermos Comuns
zz Referências pelo processador a dados Referências pelo processador a dados 
armazenados em armazenados em cachecache são chamados de são chamados de 
ACERTO (HIT)ACERTO (HIT)
™™TaxaTaxa dede acerto normalmente maior queacerto normalmente maior que 95%95%
zz Referências pelo processador a dados não Referências pelo processador a dados não 
armazenados em armazenados em cachecache são chamados de são chamados de 
FALHA (MISS)FALHA (MISS)
zz CacheCache normalmente busca uma linhanormalmente busca uma linha
™™Localidade espacialLocalidade espacial
zz DescritorDescritor (tag)(tag)
™™Dados,Dados, endereçosendereços,, validadevalidade, etc., etc.
FuncionamentoFuncionamento
zz Tentativa de aproximar o tempo de acesso à Tentativa de aproximar o tempo de acesso à 
memória do tempo de acesso da CPUmemória do tempo de acesso da CPU
zz Dependente de diversos fatoresDependente de diversos fatores
™™Arquitetura do computadorArquitetura do computador
™™Comportamento dos programasComportamento dos programas
™™Tamanho e organização da Tamanho e organização da cachecache
zz Transparente paraTransparente para oo programaprograma//programadorprogramador
FuncionamentoFuncionamento
zz PedidoPedido dede memória verificadomemória verificado antesantes nana cachecache
™™SeSe estiver presenteestiver presente, a cache, a cache fornecefornece//recebe recebe 
informação dainformação da CPU (CPU (acerto ouacerto ou hit)hit)
™™Caso contrárioCaso contrário, o, o pedidopedido éé enviado paraenviado para aa memóriamemória
principal (principal (falha oufalha ou miss)miss)
CPUCPU
MMUMMU
CacheCache MemóriaMemóriaPrincipalPrincipal
EVEV EFEF EFEF
DD ouou II DD ouou II
Princípios da Princípios da CacheCache
zz Localidade espacialLocalidade espacial
™™Grande probabilidade de acessos à locais vizinhosGrande probabilidade de acessos à locais vizinhos
zz Localidade temporalLocalidade temporal
™™GrandeGrande probabilidadeprobabilidade de sede se acessar regiões que foram acessar regiões que foram 
recentemente acessadasrecentemente acessadas
zz SeqüencialidadeSeqüencialidade
™™Se uma referência é feita ao endereço X, existe grande Se uma referência é feita ao endereço X, existe grande 
probabilidade de haver referência ao endereço X+1probabilidade de haver referência ao endereço X+1
MemóriaMemória CacheCache
DadosDados TagsTags
BlocoBloco ((linhalinha) ) 
de dadosde dados
EndereçoEndereço
ValidadeValidade
EstadoEstado
Etc.Etc.
Organização do Organização do CacheCache
zz Mapeamento diretoMapeamento direto
™™Direct mappedDirect mapped
zz Conjunto associativoConjunto associativo
™™Set Set associativeassociative
zz Totalmente associativoTotalmente associativo
™™Fully associativeFully associative
CuriosidadesCuriosidades
zz Supondo memória Supondo memória cache com:cache com:
™™256 256 kbyteskbytes
™™32 bytes/32 bytes/blocobloco
™™88 linhaslinhas
™™Barramento Barramento de de endereço endereço de 32 bitsde 32 bits
™™CapacidadeCapacidade dede endereçar atéendereçar até 44 GbytesGbytes
™™Mapeamento diretoMapeamento direto
Cache comCache com Mapeamento Mapeamento 
DiretoDireto
zz CuriosidadesCuriosidades
™™Os bytes 0, 1, 2Os bytes 0, 1, 2 atéaté o byte 31o byte 31 estão na primeira linha estão na primeira linha 
dada cachecache
™™Os bytes 32, 33, 34Os bytes 32, 33, 34 atéaté o byte 63o byte 63 estão na segunda estão na segunda 
linha dalinha da cachecache
™™Os bytes 64, 65, 66Os bytes 64, 65, 66 atéatéo byte 95 o byte 95 estão na terceira estão na terceira 
linha dalinha da cachecache
™™Os bytes 96, 97, 98 Os bytes 96, 97, 98 atéaté o byte 127 o byte 127 estão na quarta estão na quarta 
linha dalinha da cachecache
Cache comCache com Mapeamento Mapeamento 
DiretoDireto
zz Convertendo os números para binárioConvertendo os números para binário,, observaobserva--
se:se:
™™Os 5 bitsOs 5 bits menos significativosmenos significativos dosdos elementos que elementos que 
pertencempertencem àà mesma linha são diferentesmesma linha são diferentes
™™OsOs outrosoutros bitsbits são todos iguaissão todos iguais. . 
Cache comCache com Mapeamento Mapeamento 
DiretoDireto
zz Como o cache tem 256Como o cache tem 256 kbytes endereçoskbytes endereços,,
convertendo para binárioconvertendo para binário,, isto representaisto representa umum
númeronúmero de 18 bitsde 18 bits
zz 221818 = = 262144262144 = 256= 256 kbyteskbytes
CacheCache com Mapeamento com Mapeamento 
DiretoDireto
zz Assumindo queAssumindo que::
™™ MemóriaMemória cache tem 2cache tem 2kk linhaslinhas
™™ MemóriaMemória cache temcache tem blocobloco com 2com 2mm bytesbytes
™™ p bits dep bits de barramentobarramento de de endereçoendereço
zz Bits mais baixos utilizados para selecionar a linha da Bits mais baixos utilizados para selecionar a linha da cachecache
zz Bits mais altos usados para comparar o endereço da linhaBits mais altos usados para comparar o endereço da linha
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
Cache comCache com Mapeamento Mapeamento 
DiretoDireto
p-k-m mk
tag Endereço do cache Endereço
do byte
tagdado
H
it?
memória p-k-mb
Linha de cache
2k linhas
CPU
ExemploExemplo
zz Supondo memória Supondo memória cache com:cache com:
™™256 256 kbyteskbytes
™™32 bytes/32 bytes/blocobloco
™™8 k8 k linhaslinhas
™™Barramento Barramento de de endereço endereço de 32 bitsde 32 bits
™™Mapeamento diretoMapeamento direto
zz Calcular Calcular o o bloco que será utilizado pelo bloco que será utilizado pelo 
endereçoendereço::
87a6c1b4 (hexadecimal)87a6c1b4 (hexadecimal)
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010 0110 1100 0001 1011 01001000 0111 1010 0110 1100 0001 1011 0100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010 0110 1100 0001 101101001000 0111 1010 0110 1100 0001 10110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010 0110 1100 0001101101001000 0111 1010 0110 1100 000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010 0110 11000001101101001000 0111 1010 0110 1100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010 011011000001101101001000 0111 1010 01101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 0111 1010011011000001101101001000 0111 101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000 01111010011011000001101101001000 0111101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 7 a 6 c 1 b 48 7 a 6 c 1 b 4
™™1000011110100110110000011011010010000111101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 87a6c1b487a6c1b4
™™1000011110100110110000011011010010000111101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 87a6c1b487a6c1b4
™™100001111010011011000001101 10100100001111010011011000001101 10100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 87a6c1b487a6c1b4
™™10000111101001 1011000001101 1010010000111101001 1011000001101 10100
™™k = 1011000001100k = 1011000001100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ExemploExemplo
zz Bloco endereçadoBloco endereçado porpor 87a6c1b4 (hexadecimal)87a6c1b4 (hexadecimal)
zz Linha Linha de cache 1011000001100 (de cache 1011000001100 (bináriobinário))
™™160C (hexadecimal)160C (hexadecimal)
™™5644 (decimal)5644 (decimal)
ProblemaProblema
zz Refazer Refazer o o problema para problema para o o endereçoendereço
8888a6c1b4 (hexadecimal)a6c1b4 (hexadecimal)
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 1010 0110 1100 0001 1011 01001000 1000 1010 0110 1100 0001 1011 0100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 1010 0110 1100 0001 101101001000 1000 1010 0110 1100 0001 10110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 1010 0110 1100 0001101101001000 1000 1010 0110 1100 000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 1010 0110 11000001101101001000 1000 1010 0110 1100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 1010 011011000001101101001000 1000 1010 01101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 1000 10100110110000011011010010001000 101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000 10001010011011000001101101001000 1000101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 8 8 a 6 c 1 b 48 8 a 6 c 1 b 4
™™1000100010100110110000011011010010001000101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 88a6c1b488a6c1b4
™™1000100010100110110000011011010010001000101001101100000110110100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 88a6c1b488a6c1b4
™™100010001010011011000001101 10100100010001010011011000001101 10100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz p = 32 bitsp = 32 bits
zz m = 5 bits (2m = 5 bits (255 = 32)= 32)
zz k = 13 bits (2k = 13 bits (21313=8 k)=8 k)
zz 88a6c1b488a6c1b4
™™10001000101001 1011000001101 1010010001000101001 1011000001101 10100
™™k = 1011000001100k = 1011000001100
p-k-m mk
p bits
tag Endereço da
linha do cache
Endereço
do byte
ProblemaProblema
zz Bloco endereçadoBloco endereçado porpor 88a6c1b4 (hexadecimal)88a6c1b4 (hexadecimal)
zz Linha Linha de cache 1011000001100 (de cache 1011000001100 (bináriobinário))
™™160C (hexadecimal)160C (hexadecimal)
™™5644 (decimal)5644 (decimal)
ProblemaProblema
zz Os Os endereços endereços 8877a6c1b4 e 8a6c1b4 e 888a6c1b4 a6c1b4 necessitam necessitam 
da mesma linha da mesma linha de cachede cache
zz ConclusãoConclusão::
™™Todo Todo par de par de endereços cuja diferença endereços cuja diferença for for múltipla múltipla do do 
tamanho da tamanho da cache cache vai utilizar vai utilizar a a mesma linha gerando mesma linha gerando 
conflitoconflito
™™Sempre que houver conflitoSempre que houver conflito, a , a linha mais antiga será linha mais antiga será 
descartada da descartada da cachecache
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zz Continuação Continuação de de hierarquia hierarquia de de memóriamemória
zz Tentativa Tentativa de de solucionar solucionar o o problema problema de de conflito conflito no no 
cachecache
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