Aula07 ArqComp ADS 2014 (2)

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Arquitetura de Computadores (ARQI1) 
ADS171 
Aula 07: 
 
 Memória 
 Conceito 
 
Arquitetura Von Neummann: código (programa) armazenado em memória: 
o código é buscado (lido) e executado, repetindo o ciclo até o fim do 
programa. 
 
Classificação básica: 
- primária ou principal: aquela que se encontra dentro da CPU; 
- secundária: formada por outros dispositivos de armazenamento (discos 
fixos, unidades de backup, pendrives, etc...). 
 
Finalidade: 
armazenar dados, de forma temporária, e programas, estes de forma 
temporária ou permanente. A princípio, podemos guardar dados e 
programas em qualquer parte da memória, sem distinção. 
 Operações básicas 
 
A memória é composta, logicamente falando, de posições ou endereços, 
onde, em cada endereço pode ser armazenado um byte, um valor de 0 a 
255. A quantidade de endereços vai depender do quanto de memória nós 
disponibilizamos na CPU e de quanto o processador poderá manipular. 
 
Pode-se realizar duas operações em cada endereço de memória: ler ou 
escrever um dado. Logicamente, isto vai depender também do tipo de 
memória envolvido (se permite escrita ou não). 
Uma operação de leitura é um processo não destrutível: lê-se o conteúdo 
de um determinado endereço de memória e este não é alterado ou 
apagado. Já uma operação de escrita é um processo destrutivo: grava-se 
um dado em um determinado endereço, sendo o dado anterior perdido, 
sobreposto pelo novo. 
 Níveis de memória 
 
 Tipos básicos 
 
 
ROM, sigla de Read Only Memory, memória apenas de leitura. Tal tipo de 
memória tem como características principais, não permitir operações de 
escrita e não perder seu conteúdo após ser desenergizada (não-volátil). 
 
RAM, sigla de Random Access Memory, memória de acesso randômico 
(aleatório). Também conhecida como memória de escrita e leitura, tendo 
como características principais podermos efetuar tanto escrita como 
leitura, porém, é volátil, ou seja, perde seu conteúdo quando não 
energizada (à exceção das RAM não-voláteis). 
 ROM 
 
 
ROM 
 
A memória ROM pode ser gravada (escrita) durante o processo de 
fabricação, pelo próprio fabricante ou por processos eletrônicos. 
 
 
Atualmente, nos microcomputadores compatíveis com o padrão PC, a 
memória ROM contidas nestes tem três programas básicos, conhecidos 
também por firmware: 
 
 ROM 
 
• BIOS (ou a BIOS): Basic Input Output System: Sistema básico de entrada 
e saída. Contém pequenos trechos de programas (rotinas), os quais o 
processador executa quando necessita realizar algumas operações básicas 
de Entrada e Saída; 
 
• POST (Power-On Self Test): um programa de auto-teste que é 
automaticamente executado quando ligamos o microcomputador; Alem do 
auto-teste, inicializa os circuitos chipsets e carrega o sistema operacional 
da memória secundária para a RAM. Ao terminar estas tarefas, o controle 
passa para o sistema operacional; 
 
• SETUP: programa de configuração do hardware do microcomputador. 
 Tipos de memória ROM 
 
Mask-ROM; 
 
PROM (Programmable ROM); 
 
EPROM (Erasable Programmable ROM); 
 
EEPROM ou E2PROM: (Electrically Erasable PROM) 
 
FLASH-ROM. 
 RAM 
 
 
Onde são armazenados dados e programas no momento da execução, 
inclusive o Sistema Operacional, quando ele é carregado do disco rígido 
para a memória. Torna-se óbvia a afirmação de que o microcomputador 
não funcionaria sem memória RAM. 
 
 
O quanto de memória RAM necessitamos é uma pergunta que a resposta é 
quase sempre a mesma: quanto mais, melhor. Na verdade, alguns 
programas e sistemas operacionais necessitam de uma quantidade mínima 
de memória. 
 RAM 
 
Devemos considerar também a aplicação a ser dada ao computador: 
aplicações gráficas, que manipulem grande quantidade de imagens de alta 
definição, necessitam de grande quantidade de memória para funcionar 
satisfatoriamente, pois quando a memória RAM fica sem espaço livre, o 
Sistema Operacional pode “enxergar” o disco rígido como uma extensão 
da memória, gravando e lendo dados deste (arquivo de troca ou swap), o 
que não é uma operação rápida. 
 Tipos de RAM 
 
 
Estáticas: conhecidas também por SRAM (Static RAM), tem suas células de 
armazenamento formadas por circuitos eletrônicos digitais. Este tipo de 
memória RAM não necessita de refresh, isto é, o refrescamento, o 
reavivamento dos conteúdos de memória, pois os circuitos eletrônicos não 
perdem seu conteúdo com o tempo durante o funcionamento. 
 
São mais rápidas que o outro tipo, porém maiores e mais caras. Utilizadas 
em pequenas porções para memória cache. 
 Tipos de RAM 
 
Dinâmicas: conhecidas por DRAM (de Dynamic RAM). Neste tipo de 
memória, suas células são formadas por pequenos capacitores, 
componentes eletrônicos que armazenam tensão elétrica. 
Porém, tais componentes se descarregam com o tempo, sendo necessário 
um reavivamento de seu conteúdo, conhecido por refresh. O refresh de 
memória é efetuado por um circuito chamado controlador de memória, 
presente no chipset da motherboard. 
Como no período de refresh a memória não pode ser acessada, apesar de 
ser um intervalo de tempo muito pequeno, o acesso a este tipo de 
memória é mais lento que o de uma SRAM. Entretanto, tais memórias são 
mais baratas, consomem menos energia e tem um tamanho menor que 
uma SRAM. 
 Tipos de RAM 
 
Arquitetura de Computadores (ARQI1) 
ADS171 
Aula 07: 
 
 Memória 
 Conceito 
 
Arquitetura Von Neummann: código (programa) armazenado em memória: 
o código é buscado (lido) e executado, repetindo o ciclo até o fim do 
programa. 
 
Classificação básica: 
- primária ou principal: aquela que se encontra dentro da CPU; 
- secundária: formada por outros dispositivos de armazenamento (discos 
fixos, unidades de backup, pendrives, etc...). 
 
Finalidade: 
armazenar dados, de forma temporária, e programas, estes de forma 
temporária ou permanente. A princípio, podemos guardar dados e 
programas em qualquer parte da memória, sem distinção. 
 Operações básicas 
 
A memória é composta, logicamente falando, de posições ou endereços, 
onde, em cada endereço pode ser armazenado um byte, um valor de 0 a 
255. A quantidade de endereços vai depender do quanto de memória nós 
disponibilizamos na CPU e de quanto o processador poderá manipular. 
 
Pode-se realizar duas operações em cada endereço de memória: ler ou 
escrever um dado. Logicamente, isto vai depender também do tipo de 
memória envolvido (se permite escrita ou não). 
Uma operação de leitura é um processo não destrutível: lê-se o conteúdo 
de um determinado endereço de memória e este não é alterado ou 
apagado. Já uma operação de escrita é um processo destrutivo: grava-se 
um dado em um determinado endereço, sendo o dado anterior perdido, 
sobreposto pelo novo. 
 Níveis de memória 
 
 Tipos básicos 
 
 
ROM, sigla de Read Only Memory, memória apenas de leitura. Tal tipo de 
memória tem como características principais, não permitir operações de 
escrita e não perder seu conteúdo após ser desenergizada (não-volátil). 
 
RAM, sigla de Random Access Memory, memória de acesso randômico 
(aleatório). Também conhecida como memória de escrita e leitura, tendo 
como características principais podermos efetuar tanto escrita como 
leitura, porém, é volátil, ou seja, perde seu conteúdo quando não 
energizada (à exceção das RAM não-voláteis). 
 ROM 
 
 
ROM 
 
A memória ROM pode ser gravada (escrita) durante o processo de 
fabricação,pelo próprio fabricante ou por processos eletrônicos. 
 
 
Atualmente, nos microcomputadores compatíveis com o padrão PC, a 
memória ROM contidas nestes tem três programas básicos, conhecidos 
também por firmware: 
 
 ROM 
 
• BIOS (ou a BIOS): Basic Input Output System: Sistema básico de entrada 
e saída. Contém pequenos trechos de programas (rotinas), os quais o 
processador executa quando necessita realizar algumas operações básicas 
de Entrada e Saída; 
 
• POST (Power-On Self Test): um programa de auto-teste que é 
automaticamente executado quando ligamos o microcomputador; Alem do 
auto-teste, inicializa os circuitos chipsets e carrega o sistema operacional 
da memória secundária para a RAM. Ao terminar estas tarefas, o controle 
passa para o sistema operacional; 
 
• SETUP: programa de configuração do hardware do microcomputador. 
 Tipos de memória ROM 
 
Mask-ROM; 
 
PROM (Programmable ROM); 
 
EPROM (Erasable Programmable ROM); 
 
EEPROM ou E2PROM: (Electrically Erasable PROM) 
 
FLASH-ROM. 
 RAM 
 
 
Onde são armazenados dados e programas no momento da execução, 
inclusive o Sistema Operacional, quando ele é carregado do disco rígido 
para a memória. Torna-se óbvia a afirmação de que o microcomputador 
não funcionaria sem memória RAM. 
 
 
O quanto de memória RAM necessitamos é uma pergunta que a resposta é 
quase sempre a mesma: quanto mais, melhor. Na verdade, alguns 
programas e sistemas operacionais necessitam de uma quantidade mínima 
de memória. 
 RAM 
 
Devemos considerar também a aplicação a ser dada ao computador: 
aplicações gráficas, que manipulem grande quantidade de imagens de alta 
definição, necessitam de grande quantidade de memória para funcionar 
satisfatoriamente, pois quando a memória RAM fica sem espaço livre, o 
Sistema Operacional pode “enxergar” o disco rígido como uma extensão 
da memória, gravando e lendo dados deste (arquivo de troca ou swap), o 
que não é uma operação rápida. 
 Tipos de RAM 
 
 
Estáticas: conhecidas também por SRAM (Static RAM), tem suas células de 
armazenamento formadas por circuitos eletrônicos digitais. Este tipo de 
memória RAM não necessita de refresh, isto é, o refrescamento, o 
reavivamento dos conteúdos de memória, pois os circuitos eletrônicos não 
perdem seu conteúdo com o tempo durante o funcionamento. 
 
São mais rápidas que o outro tipo, porém maiores e mais caras. Utilizadas 
em pequenas porções para memória cache. 
 Tipos de RAM 
 
Dinâmicas: conhecidas por DRAM (de Dynamic RAM). Neste tipo de 
memória, suas células são formadas por pequenos capacitores, 
componentes eletrônicos que armazenam tensão elétrica. 
Porém, tais componentes se descarregam com o tempo, sendo necessário 
um reavivamento de seu conteúdo, conhecido por refresh. O refresh de 
memória é efetuado por um circuito chamado controlador de memória, 
presente no chipset da motherboard. 
Como no período de refresh a memória não pode ser acessada, apesar de 
ser um intervalo de tempo muito pequeno, o acesso a este tipo de 
memória é mais lento que o de uma SRAM. Entretanto, tais memórias são 
mais baratas, consomem menos energia e tem um tamanho menor que 
uma SRAM. 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
 Dentro de uma memória RAM, as células de armazenamento (onde se 
armazenam os bits) são formadas por pequenos capacitores – 
componentes eletrônicos que retém por um determinado tempo, uma 
carga elétrica. Tais capacitores são montados dentro da memória em um 
arranjo semelhante à uma matriz, com linhas e colunas. 
 No momento em que o processador quer efetuar uma operação, por 
exemplo, leitura, ele coloca no barramento de endereços o endereço 
desejado e no barramento de controle um sinal que deseja efetuar uma 
operação de leitura da memória. O endereço e os sinais são recebidos 
pelo circuito controlador de barramento (ponte norte). Presente neste 
circuito está o controlador de memória, que divide o endereço recebido 
em duas partes: parte alta e parte baixa. 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
 A parte alta selecionará uma linha desta matriz e a parte baixa 
selecionará a coluna. Entre o controlador de memória e o banco de 
memória há um barramento chamado de barramento de memória. É 
neste barramento que seguem as duas partes do endereço. Seguem, em 
conjunto com os endereços, dois sinais: o RAS (Row Address Strobe) e o 
CAS (Column Address Strobe), indicando, respectivamente, que a parte 
do endereço fornecida é para selecionar linha ou coluna. Teremos, 
então a seguinte seqüência: 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
 Dentro de uma memória RAM, as células de armazenamento (onde se 
armazenam os bits) são formadas por pequenos capacitores – 
componentes eletrônicos que retém por um determinado tempo, uma 
carga elétrica. Tais capacitores são montados dentro da memória em um 
arranjo semelhante à uma matriz, com linhas e colunas. 
 No momento em que o processador quer efetuar uma operação, por 
exemplo, leitura, ele coloca no barramento de endereços o endereço 
desejado e no barramento de controle um sinal que deseja efetuar uma 
operação de leitura da memória. O endereço e os sinais são recebidos 
pelo circuito controlador de barramento (ponte norte). Presente neste 
circuito está o controlador de memória, que divide o endereço recebido 
em duas partes: parte alta e parte baixa. 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
 A parte alta selecionará uma linha desta matriz e a parte baixa 
selecionará a coluna. Entre o controlador de memória e o banco de 
memória há um barramento chamado de barramento de memória. É 
neste barramento que seguem as duas partes do endereço. Seguem, em 
conjunto com os endereços, dois sinais: o RAS (Row Address Strobe) e o 
CAS (Column Address Strobe), indicando, respectivamente, que a parte 
do endereço fornecida é para selecionar linha ou coluna. Teremos, 
então a seguinte seqüência: 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
1. O processador coloca no barramento de endereços o endereço e o 
sinal de leitura; 
2. O controlador de memória divide o endereço, colocando a parte alta 
no barramento de memória e aciona o sinal RAS; 
3. Ainda com o sinal RAS acionado, a parte baixa é colocada no 
barramento de memória e o sinal CAS é acionado; 
4. Os sinais RAS e CAS são desacionados, e o dado solicitado é colocado 
no barramento de memória, que por sua vez é colocado no 
barramento de dados pelo controlador de memória. 
 
 Funcionamento da RAM dinâmica 
 
 
 Tempo e ciclo de acesso 
 
Tempo de acesso é o intervalo de tempo, dado em segundos, entre o 
recebimento do sinal RAS pelo banco de memória e a entrega ou 
armazenamento do dado. Também chamado de tRAC. 
É uma característica física das memórias, determinado pelo processo de 
construção desta. Normalmente, é fornecido em nanosegundos 
(bilhionésimos de segundos). O tempo de acesso deve ser compatível 
com o clock do barramento, para que o processador não fique esperando 
muito tempo pelo término da operação, causando uma queda de 
performance. Nos chips de memória DRAM, há estampado, de alguma 
forma, o tempo de acesso: .6 ou –60 ou 60 para simbolizar 60 ns 
(nanosegundos) por exemplo. SRAMs tem, atualmente, tempos de acesso 
na casa dos 5 ns. 
 Tempo e ciclo de acesso 
 
O processador gasta para acessar a memória, dois ciclos de clock. Para se 
ter uma idéia deste período, chamado de ciclo de acesso, calculemos o 
tempo de um sinal de clock, sendo um período: o inverso da freqüência. 
A freqüência neste caso será a do barramento local, não ado 
microprocessador. Um microcomputador cuja freqüência (FSB) seja de 
100 MHz, por exemplo terá o ciclo de clock calculado da seguinte forma: 
 
 
 
 
 
Ou seja, 10 nanosegundos. 
 Tempo e ciclo de acesso 
 
Como gasta 2 ciclos de clock, o tempo de acesso será de 20 
nanosegundos. Para que a memória, mais lenta do que esse valor, possa 
trabalhar em uma velocidade destas, são acrescentados ao ciclo de 
acesso, ciclos extras, chamados de wait states. Isto faz com que o 
processador espere um tempo a mais para que a memória responda. 
Podemos incluir, caso seja necessário, mais de um ciclo wait states, para 
que o tempo de acesso da memória seja compatível com o tempo do 
ciclo de acesso. A adição de wait states faz com que a performance do 
processador caia, visto que durante este ciclo, ele não fará nenhuma 
operação. Para contornar este problema, surgiu o cache de memória, 
formado por memórias RAM estáticas, o qual representa uma pequena 
porção da memória RAM, porém sem a necessidade de wait states. 
 SDRAM 
 
Synchronous Dynamic RAM é uma memória RAM que é sincronizada com 
o barramento do sistema, ou, mais precisamente, com a transição de 
subida do clock , permite uma operação mais rápida, pois a CPU saberá 
exatamente quando os dados estarão disponíveis. 
 
Diferente das memórias DRAM clássicas, que possuem 
uma interface assíncrona, e por isto respondem tão rápido quanto 
possível, a SDRAM possui uma interface síncrona, significando que ela 
espera pelo sinal do clock antes de responder às entradas de comando e 
é portanto sincronizada com o barramento do sistema do computador. 
 
 SDRAM 
 
A mudança mais significativa, e a razão pela qual a SDRAM suplantou 
a RAM assíncrona, é o suporte a múltiplos bancos internos dentro de um 
chip DRAM: usando uns poucos bits de "endereço do banco" que 
acompanham cada comando, um segundo banco pode ser ativado e 
começar a ler dados enquanto a leitura do primeiro banco estiver em 
progresso. 
 
Por alternar os bancos, um dispositivo SDRAM pode manter 
o barramento de dados continuamente ocupado. 
 
 DDR 
 
O tipo de memória instalada nos módulos DDR é o SDRAM, mas o arranjo 
(posicionamento dos chips nas peças) dessas memórias funciona de 
acordo com o padrão DIMM. A sigla vem de Dual Inline Memory Module 
(Módulo de Memória em Linha Dupla). Esse termo é usado para designar 
que um determinado componente tem chips instalados dos dois lados do 
módulo. 
Na prática, isso significa que as memórias DIMM trabalham com 64 bits 
de dados. Portanto, esse padrão garante o dobro de dados e 
consequentemente, na teoria, pode significa que temos o dobro do 
desempenho. 
Costumeiramente, chamamos os módulos de memória DDR apenas pela 
sigla DDR, mas o correto (e mais completo) seria usar a designação DDR-
SDRAM DIMM. 
. 
 DDR 
 
A sigla DDR vem de Double-Data-Rate (Taxa 
Dupla de Transferência). A memória DDR 
permite que dois dados sejam transferidos 
ao mesmo tempo. 
 
Assim, basicamente, uma DDR-SDRAM é uma 
memória do tipo SDRAM que permite que 
dois dados sejam transferidos no mesmo 
ciclo de clock. Um módulo de memória do 
tipo DDR-SDRAM é, teoricamente, duas 
vezes mais rápido que um SDRAM comum. 
 
 DDR2 
 
A taxa de transferência por ciclo de clock 
foram dobradas, fornecendo 4 vezes mais 
dados por ciclo, mantendo praticamente o 
mesmo tempo de acesso inicial, o que 
resulta em ótimos resultados em aplicativos 
que processam uma uma grande quantidade 
de leitura sequencial. 
 DDR3 
 
As DDR3 dobram as taxas das DDR2: 
 Cache de memória ou memórica cache 
 
Pequena quantidade RAM estática, de alto desempenho, que armazena 
uma cópia dos últimos dados acessados, aumentando a velocidade do 
processamento. 
 
Em um sistema com cache todos os dados são armazenados na memória 
principal e apenas alguns são duplicados no cachê, pois o mesmo é muito 
menor do que a memória principal. O tamanho menor provém do fato de 
o cache ser construído com RAMs estáticas, mais caras. 
 
 Cache de memória ou memórica cache 
 
 
Quando um dado é solicitado da memória, seja este um dado ou uma 
instrução, ele será procurado primeiramente no cache. Se esta dado for 
encontrado no cache dizemos que houve um acerto (hit). Caso contrário, 
será necessário o acesso a memória principal, mais lento. Um parâmetro 
para se medir a eficiência do cache implementado é o “hit rate” que é 
definido como a porcentagem de acertos em relação ao número total de 
acessos ao cache. 
 
O “hit rate” é afetado diretamente pelo tamanho do cache, o tamanho 
dos blocos transferidos para ele, sua forma de implementação e 
indiretamente pelo programa que esta sendo executado. 
 
. 
 Tipos de cache 
 
 
• Cache de nível 1, também conhecido por L1 (L de level): interno ao 
processador, normalmente dividido em cache de instruções e cache de 
dados como o cache de nível 2 (L2) são internos, havendo também a 
implementação de caches de nível 3 (L3). O cachê também pode ser 
unificado. 
 
• Cache de nível 2, ou L2: complementar ao L1; 
 
• Cache de nível 3, ou L3: complementar ao L2. 
 
 
 
. 
 Exemplo de cache 
 
 
Intel Core i7 Quad Core 
 
-L1 em dois blocos de 32 KB: um bloco para 
dados, outro bloco para instruções; 
 
-L2: 512 KB ou 1 MB, divididos em 4 
módulos, uma para cada núcleo; 
 
-L3: de 4 a 15 MB, compartilhado entre os 
núcleos. 
 
 
 Atualização de cache 
 
 
Há duas formas de o controlador do cachê atualizar seu conteúdo com os 
dados/instruções recentemente acessados: 
 
a) Sistemas “Write-Through”: 
O controlador copia o dado para o cachê e para a memória principal A 
memória principal deste modo, sempre conterá um dado atualizado. A 
implementação deste sistema é simples, mas sua performance é reduzida 
devido ao tempo gasto para a escrita do dado na memória principal. 
 
 
 Atualização de cache 
 
 
b) Sistemas “Write-Back”: 
Mais complexo. Cada bloco no cache é associado a um bit. O estado deste 
bit é alterado quando ocorre uma nova escrita no cache, sendo, 
portanto, mais atual que a memória principal. Quando não ocorrer um 
acerto (hit), antes do dado proveniente da memória principal ser escrito 
no cache, o controlador verifica se o bloco que contém este dado foi 
alterado. Caso tenha sido, o respectivo bloco é gravado na memória 
principal. A atualização dos dados nos sistemas “Write-Back” é mais 
rápida que nos sistemas “Write-Through” porque o número de vezes que 
um bloco alterado é copiado na memória principal é menor que o número 
de acesso de escrita. Leitura e escrita no cache. 
 
 
 
 Organização de memória 
 
 
A memória que o processador consegue acessar através de seus 
barramentos é chamada de memória física. Ela é organizada em 
endereços, cada um podendo armazenar um byte (8 bits). Cada endereço 
na memória é chamado de endereço físico. A faixa de endereços físicos 
vai de 0 até o suportado pelo processador, por exemplo, 4 ou 64 
gigabytes. 
 
Como o processador trabalha com modelos de memórias, os programas 
não acessam diretamente o endereço físico. O acesso a memória é feito 
através de três modelo: flat, segmentado ou modo de endereçamento 
real 
 
 
 
 Organização de memória 
 
 
Flat 
 
No modelo flat, a memória é acessada como um espaço contínuo, 
chamado espaço linear de endereçamento. Cada byte armazenado na 
memória pode ser acessado por um endereço de forma linear, chamado deendereço linear. 
 
 
 
 Organização de memória 
 
Segmentado 
 
No modelo segmentado, a memória é acessada em grupos independentes de espaços de 
endereços, chamados de segmentos. Quando este modelo é utilizado, código 
(programa), dados e outras informações estão normalmente contidos em segmentos 
diferentes. Para se acessar um determinado endereço dentro de um segmento, o 
processador trabalha com o endereço lógico, que consiste em duas partes: o seletor de 
segmento e o offset. O seletor de segmento indica qual segmento será acessado e o 
offset indica qual endereço, dentro do segmento selecionado, será acessado. O 
processador pode endereçar 16.383 segmentos de diferentes tamanhos e tipos. A 
conversão entre endereço lógico para endereço físico é feita de forma transparente para 
a aplicação. Tal modelo traz segurança entre as aplicações e alta performance de 
execução 
 
 
 Organização de memória 
 
Real 
 
O modelo de endereçamento real, o processador se comporta como um 
8086/88, acessando segmentos de tamanho fixo, de 64 kilobytes e tendo 
também um offset para indicar o endereço dentro do segmento. O espaço 
máximo de memória neste caso é de 1 Megabyte. A conversão do 
endereço lógico (segmento e offset) para endereço físico é feita de forma 
transparente para a aplicação e é feito da seguinte forma: 
 
 
 Organização de memória